Акустический резонанс в кольцевой полости с осевым транзитным потоком

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты согласованного расчетно-экспериментального исследования акустических автоколебаний в кольцевой полости, опоясывающей круглую трубу с локальным сужением. В эксперименте измерялись пульсации давления на внешней стенке кольцевой полости для различных значений объемного расхода; воздух поступал в трубу при атмосферном давлении. Обнаружено, что в некотором диапазоне расходов реализуется режим течения с возбуждением акустических автоколебаний в полости. Частота колебаний соответствует первой собственной частоте, а среднеквадратические значения пульсаций давления достигают уровня 2300 Па. Численное моделирование на основе RANS-подхода, проведенное для геометрии и условий эксперимента, воспроизводит наблюдаемый эффект акустического возбуждения полости и дает близкие значения амплитуды пульсаций. На основе полученных расчетных данных проанализированы формы колебаний, возникающие при различных значениях объемного расхода.

Об авторах

Е. В. Колесник

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Д. К. Зайцев

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. М. Смирнов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. И. Шмелев

Опытно-конструкторское Бюро Машиностроения им. И. И. Африкантова

Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

М. Г. Маслов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Будников

Опытно-конструкторское Бюро Машиностроения им. И. И. Африкантова

Email: kolesnik.ev1@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Rockwell D., Naudascher E. Review – self-sustained oscillations of flow past cavities // J. Fluids Eng. 1978. V. 100. № 2. P. 152–165. doi: 10.1115/1.3448624.
  2. Howe M.S. Edge, cavity and aperture tones at very low Mach numbers // J. Fluid Mech. 1997. V. 330. P. 61–84. doi: 10.1017/S0022112096003606.
  3. Rowley C.R., Williams D.R. Dynamics and control of high-Reynolds number flow over open cavities // Annu. Rev. Fluid Mech. 2006. V. 38. P. 251–276. doi: 10.1146/annurev.fluid.38.050304.092057.
  4. Ma R., Slaboch P.E., Morris S.C. Fluid mechanics of the flow-excited Helmholtz resonator // J. Fluid Mech. 2009. V. 623. P. 1–26. doi: 10.1017/S0022112008003911.
  5. Ziada S., Lafon P. Flow-excited acoustic resonance excitation mechanism, design guidelines, and counter measures // Applied Mechanics Reviews. 2014. V. 66. № 1. ID010802. 22 p. doi: 10.1115/1.4025788.
  6. Morris S.C. Shear-layer instabilities: particle image velocimetry measurements and implications for acoustics // Annu. Rev. Fluid Mech. 2011. V. 43. P. 529–550. doi: 10.1146/annurev-fluid-122109–160742.
  7. Rossiter J.E. Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds // Aeronautical Research Council Reports and Memoranda. 1964. № 3438. 32 p.
  8. Tam C.K.W., Block P.J.W. On the tones and pressure oscillations induced by flow over rectangular cavities // J. Fluid Mech. 1978. V. 89. № 2. P. 373–399. doi: 10.1017/S0022112078002657.
  9. Knisely C., Rockwell D. Self-sustained low-frequency components in an impinging shear layer // J. Fluid Mech. 1982. V. 116. P. 157–186. doi: 10.1017/S002211208200041X.
  10. Tracy M.B., Plentovich E.B. Cavity unsteady-pressure measurements at subsonic and transonic speeds // NASA Tech. Paper. 1997. № 3669. 78p.
  11. de Henshaw M.J.C. M219 cavity case: Verification and validation data for computational unsteady aerodynamics // Tech. Rep. RTO-TR-26, AC/323 (AVT) TP/19. Canada, St. Joseph Ottawa/Hull, 2000. P. 473–480.
  12. Heller H., Holmes D., Covert E. Flow-induced pressure oscillations in shallow cavities // J. Sound Vibr. 1971. V. 18. № 4. P. 545–553. doi: 10.1016/0022-460X(71)90105-2
  13. Chatellier L., Laumonier J., Gervais Y. Theoretical and experimental investigations of low Mach number turbulent cavity flows // Exp. Fluids. 2004. V. 36. P. 728–740. doi: 10.1007/s00348-003-0752-4.
  14. Elder S.A. Self-excited depth-mode resonance for a wall-mounted cavity in turbulent flow // J. Acoust. Soc. Am. 1978. V. 64. P. 877–890. doi: 10.1121/1.382047.
  15. Ziada S., Shine S. Strouhal numbers of flow-excited acoustic resonance of closed side branches // J. Fluids and Structures. 1999. V. 13. P. 127–142. doi: 10.1006/JFLS.1998.0189.
  16. Yang Y., Rockwell D., Cody K.L.F., Pollack M. Generation of tones due to flow past a deep cavity: Effect of streamwise length // J. Fluids and Structures. 2009. V. 25. P. 364–388. doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2008.05.003.
  17. Morel T. Experimental study of a jet-driven Helmholtz oscillator // J. Fluids Eng. 1979. V. 101. P. 383–390. doi: 10.1115/1.3448983.
  18. de Jong A.T., Bijl H. Investigation of higher spanwise Helmholtz resonance modes in slender covered cavities // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 128. № 4. P. 1668–1678. doi: 10.1121/1.3473698.
  19. Абдрашитов А.А., Марфин Е.А. Влияние длины сопла на работу струйного осциллятора Гельмгольца // Изв. РАН. МЖГ. 2021. № 1. С. 142–150. doi: 10.31857/S0568528121010011.
  20. Комкин А.И., Быков А.И. Инерционная присоединенная длина горла резонаторов Гельмгольца // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 3. С. 277–287. doi: 10.7868/S0320791916030096 = Komkin A.I., Bykov A.I. Inertial attached neck length of Helmholtz resonators // Acoust. Phys. 2016. V. 62. № 3. P. 269–279. doi: 10.1134/S106377101603009X.
  21. Bennett G.J., Stephens D.B. Resonant mode characterisation of a cylindrical Helmholtz cavity excited by a shear layer // J. Acoust. Soc. Am. 2017. V. 141. № 1. P. 7–18. doi: 10.1121/1.4973212.
  22. Lawson S.J., Barakos G.N. Review of numerical simulations for high-speed, turbulent cavity flows // Progress in Aerospace Sciences. 2011. V. 47. P. 186–216. doi: 10.1016/j.paerosci.2010.11.002.
  23. Heller H.H., Bliss D. The physical mechanism of flow-induced pressure fluctuations in cavities and concepts for their suppression // AIAA Paper. 1975. № 75–491. 8 p. doi: 10.2514/6.1975-491.
  24. Даньков Б.Н., Дубень А.П., Козубская Т.К. Анализ автоколебательных процессов в каверне с открытым типом течения на основе данных вихреразрешающих расчетов // Изв. РАН. МЖГ. 2023. № 4. С. 156–166. doi: 10.31857/S1024708422600774.
  25. Даньков Б.Н., Дубень А.П., Козубская Т.К. Численное моделирование возникновения автоколебательного процесса возле трехмерного обратного уступа при трансзвуковом режиме обтекания // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 4. С. 108–119. doi: 10.7868/S0568528116040083.
  26. Дубень А.П., Жданова Н.С., Козубская Т.К. Численное исследование влияния дефлектора на аэродинамические и акустические характеристики турбулентного течения в каверне // Изв. РАН. МЖГ. 2017. № 4. С. 113–124. doi: 10.7868/S0568528117040107.
  27. Ванг Дж.М., Ванг Х., Ма Й., Минг К. Дж., У Дж.К. Характеристики течения в сверхзвуковой открытой полости // Изв. РАН. МЖГ. 2019. № 5. С. 135–149.doi: 10.1134/S0568528119050128.
  28. Jiang L., Zhang H., Duan Q., Zhang Y. Numerical study on acoustic resonance excitation in closed side branch pipeline conveying natural gas // Shock and Vibration. 2020. ID8857838. 19 p. doi: 10.1155/2020/8857838.
  29. Ho1 Y.W., Kim J.W. A wall-resolved large-eddy simulation of deep cavity flow in acoustic resonance // J. Fluid Mech. 2021. V. 917. ID A17. 30 p. doi: 10.1017/jfm.2021.261.
  30. Марфин Е.А., Абдрашитов А.А. Численные и экспериментальные исследования генерации звука в струйном осцилляторе Гельмгольца с щелевой камерой // Noise Theory and Practice. 2023. Т. 9. № 3 (34). С. 7–17.
  31. Menter F.R., Langtry R., Kuntz M. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4. Begell House, 2003. P. 625–632.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024