Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях, страница 18

что и подтверждает модель генерации дискретного тона А. Пауэлла. Интенсивность дискретного тона может быть очень высока, особенно для холодных воздушных струй, и может достигать 10% от механической мощности струи за счет захвата частоты и организации преимущественного когерентного вихреобразования в слое смешения. Для этого необходимо, чтобы добротность цепи генератора была высока и потери были малы. Это достигается путем установки вблизи среза сопла звукоотражающих дисков, размер которых зависит от частоты дискретного тона. Акустическая энергия концентрируется на кромке сопла, пульсации акустического давления периодически изгибают границу струи, что способствует развитию периодических вихрей в слое смешения. Из соотношений (15.26) и (15.27) также видно, что отклонение числа Маха конвекции вихрей в ту или другую сторону от единицы нарушает равенство длины звуковой волны длине двух ячеек волновой структуры струи. Это приводит к отклонению направленности суммарного излучения звука от направления на сопло и ослаблению обратной связи в цепи струйного генератора. Такие процессы характерны для горячих струй ракетных двигателей, в которых дискретный тон чрезвычайно слаб. С другой стороны повышение степени нерасчетности струй приводит к уменьшению числа ячеек, что также способствует снижению уровня дискретного тона. Наиболее сильно дискретный тон проявляется для слабонерасчетных холодных воздушных струй, когда число ячеек велико, они имеют примерно равные размеры и число Маха конвекции вихрей близко к единице. Слабая нерасчетность и небольшая относительная степень перегрева потока характерна именно для струй авиационных двигателей, в шуме которых он и был впервые обнаружен. Возникновение дискретного тона резко увеличивает процесса тепло- и массообмена струи с атмосферой, сокращает длину потенциального ядра и сверхзвукового участка, увеличивает угол расширения границы слоя смешения. Это хорошо видно при сопоставлении теневых фотографий струи на рис. 43 без дискретного тона и на рис. 57, где имеет место интенсивный дискретный тон.

Интересно оценить эффективность генерации шума струями в зависимости от числа Маха на оси струи. Если рассматривать комплекс  как кинетическую энергию струи, то можно вычислить эффективный коэффициент преобразования энергии струи в звук от числа Маха

На рис. 58 приведен график зависимости величины h от числа М, хорошо подтвержденный экспериментальными измерениями. Видно, что на до- и трансзвуковых скоростях коэффициент преобразования сильно зависит от скорости струи, а на сверх- и гиперзвуковых скоростях он выходи на постоянное значение близкое к 5×10^-3, т.е. в звук преобразуется только около 0,5% энергии сверхзвуковой реактивной струи. Однако учитывая то, что суммарная мощность двигателей первой ступени ракетоносителя «Союз» превышает 15 ГВтт, мощность звука на старте может достигать 75 МВтт. Такая мощность звука может ослабить прочность конструкции ракеты и нарушить функционирование электронной аппаратуры. Поэтому принимаются различные меры по подавлению шума струй.

15.3. Методы снижения шума струй.

15.3.1. Глушение шума, основанное на понижении скорости струи

 Для снижения уровня шума струй двигателей гражданских реактивных самолетов давно используется метод, основанный на сокращении длины скоростного участка слоя смешения и, следовательно, уменьшении интенсивности наиболее мощного квадрупольного шума турбулентной струи. Это достигается ускорением массообмена между струей и внешней атмосферой с использованием многолепестковых насадок на сопло. Такая насадка сильно деформирует слой смешения в азимутальном направлении к оси струи, тепломассообмен резко возрастает, температура и скорость струи быстро падают и шум существенно уменьшается.

15.3.2. Глушение шума, основанное на экранировании струи

В этом случае основную высокоскоростную струю обдувают более медленным кольцевым потоком воздуха. При этом уменьшается компонента шума связанная со сдвиговым шумом из-за снижения поперечного градиента средней скорости, и снижения уровня турбулентности. Этот способ глушения характерен для двухконтурных ВРД самолетов. Более эффектный, но более дорогой способ шумоглушения основан на кольцевом обдуве низкоскоростной, но более горячей струей. В этом случае используется эффект рефракции звуковых волн внутрь струи, т.е. экранировании струи.