Источники псевдозвуковых пульсаций давления при обтекании сферической лунки

Abstract

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик псевдозвуковых осцилляций давления, обусловленных взаимодействием потока и звукового поля внутри трехмерной сферической лунки. Поведено численное и физическое моделирования особенностей вихревого движения внутри лунки и в ее ближнем следе. Обнаружены симметричные и асимметричные крупномасштабные вихревые системы внутри лунки, существование которых зависит от режима течения, указано их местоположение и периодичность выброса наружу. Эволюция торнадообразных вихрей подчиняется переключательному механизму, что приводит к появлению низкочастотных модулирующих поперечных колебаний вихревого движения внутри лунки. В спектрах пульсаций давления и скорости обнаружены дискретные высокодобротные пики. Они соответствуют частоте вращения вихревых систем внутри лунки, частоте их выбросов наружу, частоте следовой моды колебания вихревого движения в лунке, обусловленной гидродинамическим резонансом, а также частоте автоколебаний сдвигового слоя, отвечающих акустическому резонансу. Указаны форма и размеры квазиустойчивых крупномасштабных вихревых структур, области их зарождения и этапы развития. Мгновенные и осредненные характеристики псевдозвуковых пульсаций давления вихревого движения внутри лунки и в ее ближнем следе отличаются из-за нелинейного взаимодействия вихревых структур между собой и с обтекаемой поверхностью.

Представлено результати теоретичних i експериментальних дослiджень характеристик псевдозвукових осциляцiй тиску, обумовлених взаємодiєю потоку й звукового поля усерединi тривимiрної сферичної лунки. Проведено чисельне й фiзичне моделювання особливостей вихрового руху усерединi лунки й у її ближньому слiдi. Виявленi симетричнi й асиметричнi великомасштабнi вихровi системи усерединi лунки, iснування яких залежить вiд режиму течiї, вказанi їхнє мiсце розташування й перiодичнiсть викиду назовнi. Еволюцiя торнадоподiбних вихорiв пiдпорядковується перемикальному механiзму, що приводить до появи низькочастотних модулюючих поперечних коливань вихрового руху всерединi лунки. У спектрах пульсацiй тиску й швидкостi виявленi дискретнi високодобротнi пiки. Вони вiдповiдають частотi обертання вихрових систем усерединi лунки, частотi їхнiх викидiв назовнi, частотi слiдової моди коливання вихрового руху в лунцi, обумовленої гiдродинамiчним резонансом, а також частотi автоколивань шару зсуву, якi вiдповiдають акустичному резонансу. Вказанi форма й розмiри квазистiйких великомасштабних вихрових структур, областi їхнього зародження й етапи розвитку. Миттєвi й осередненi характеристики псевдозвукових пульсацiй тиску вихрового руху усерединi лунки й у її ближньому слiдi вiдрiзняються через нелiнiйну взаємодiю вихрових структур мiж собою та з обтiчною поверхнею.

The paper deals with theoretical and experimental investigation results on characteristics of pseudosound pressure oscillations caused by interaction of the flow and sound field inside the three-dimensional spherical dimple. The results of numerical and physical simulation of vortex movement features inside the dimple and in its near wake are shown. The symmetric and asymmetric large-scale vortical systems have been found inside the dimple, their existence depending on flow regime. Their location and outbreak periodicity are specified. The evolution of tornado-like vortices is subjected to trigger mechanism resulting in the occurrence of low-frequency modulating transversal oscillations of vortex motion inside the dimple. The high-Q discrete peaks are discovered in the spectra of pressure and velocity fluctuations, that correspond to frequency of vortex systems rotation inside the dimple, their outbreak frequency, wake mode frequency of vortical motion oscillations in the dimple, caused by the hydrodynamical resonance, and shear layer self-oscillation frequency, corresponding to the acoustic resonance. The shape and dimensions of the quasi-stable large-scale vortex structures, their generation regions and development stages have been specified. The instantaneous and average characteristics of pseudosound pressure fluctuations for vortical movement inside the dimple and in its near wake are different because of nonlinear interaction of vortical structures with each other and with streamlined surface.