Хотя пристальное внимание к самовозбуждению аку­стических колебаний горением (или иной формой тепло — пидвода) возникло лишь в последние годы, главпым образом в связи с развитием ракетиой техники и форсированием промышленных топок, факт самовозбуждения колебаний теплонодводом известен уже более ста лет.

Самые различные опыты, поставленные физиками XIX столетня, указывали па возможность возбуждения акустических колебаний горением или иной формой тепло­подвода. Здесь достаточно напомнить хотя бы явление «поющих пламен» и трубу Рпйке[1]), в которой тепло подво­дится к воздуху при помощи горячей сетки. Остановимся несколько более подробно па оппеапии опытов Рийко, !Г"Ї859 г. Рийке обнаружил, что если достаточно длинную їй открытую с обоих копцов трубу расположить верти­кально, а затем поместить в ней па расстоянии около 1/4 !длшты трубы от нижнего конца нагретую до ярко-красного калотія частую металлическую сетку, то дочтл непо­средственно вслед за удалением газового иламепи, нагре­вавшего сетку, слышен звук значительной силы, длящийся несколько секунд (т. е. в течение всего времени, пока сотка остается горячей). Рийке обнаружил также, что зву­чание происходит только в том случае, если в трубе образуется сквозная тяга (пмепио для образования тяги и следует сталить трубу вертикально) и в случае возбуж — депня слышен звук, соответствующий основному топу трубы. Позже опыты Ринке были изменены в том отно­шении, что сетка натрепалась от нсточшша электрической энергии, и звучапіге продолжались неограниченно долгод

Совершенно нной результат получается, если поместить овтку в верщкц половине трубй. В этом случае,, вызвать звучание оетрбвкбго тона нрц.-тшмощи нагретой сетки ока­зывается /НЄВЙЗМОЯчЦЬТМ. Однако впдоизмепешга опыта, пред­ложение^ Босша и "В-дссом, открывает эту возможность. Для ЭТОГО ‘ помещенную.’ в верх J гей части трубы сетку сле­дует Ае н&гревать, а охлаждать. При этом в нижней части тру&ы должна располагаться газовая горелка, нагреваю­щая воздух н создающая тягу, а сетка уже не подводит, а уводит тепло от пересекатощего ее воздуха.

[ Из нриведеппого здесь краткого описания следует, что возбуждение акустических колебаїптй связано с движением газа по трубе, в одном из сечепий которой газовое тече­ние вступает во взаимодействие с некоторым положитель­ным (нагрев),или отрицательным (охлаждение) тепловым источником. J

Описанное явленно можно считать паиболее простым процессом термического возбуждения звука. Этот процесс в те же время достаточно близок к представляющему основ­ной интерес вибрационному горепию. Неудивительно по- этолгу> что при рассмотрении ряда задач в последующих главах будут делаться ссылки на опыты Рийке, а одпн пз параграфов главы X будет посвящен нзложепшо теории этого явления.

Несколько позже, тоже во второй половине Х]Х сто­летня, Мал дар л Ле-Шателье наблюдали при сгорашпг в трубах переход от плавного движения пламепп вдоль трубы к вибрационному горепию. Позже аналогичное явле­ние паблюдалп и другие авторы. Первыми тщательно поставленными опытами, в которых вибрационное горение было достаточно полно исследовано, явились опыты Коварда, Хартвелла и Джорджсона1), опубликованные в 1937 г. Осповная масса опытов велась в горизонтальных трубах диаметром 100 и 200 мм и длиной 5 м, наполнен­ных смесью метана и воздуха. Указанные трубы имели один закрытый, а другой открытый копец. После запол­нения трубы горючей смесью открытый конец нрикрывался, выдерживалось время, необходимое для полно го успокоения газа в трубе, затем этот конец трубы осторожно откры­вался, и горючая смесь поджигалась у открытого конца.

Первоначально пламя перемещалось вдоль трубы с поїзн­ії о, но по достижении пм некоторого расстояния от откры­того конца начинались сильные вибрации. Эти вибрации регистрировались у закрытого копца в виде колебании давления. Кроме того, одновременно производилась фото — регистрация иламепи, которая указывала на сильные колебания фропта пламени, происходившие с той же частотой, что и колебания давления у закрытого конца.

Интересным обстоятельством оказалось то, что частота колебаний давления (и иламенп) по мере перемещения фронта пламепп вдоль трубы, измепялась скачкообразно. Наблюдавшиеся частоты колебаний имели порядок собст­венных частот газового столба в трубе.

Авторы исследовали также влияния разного рода пре­пятствий, располагавшихся у открытого конца трубы, на характер вибрационного гореппя. Опп ностепеипо прибли­жали к открытому концу трубы пластину и убедились, что после приближения (для трубы с диаметром 100 .ад. м) пластины на расстояния 15 мм п меньше, колебания в сильной степени демпфировались, Вибрационное горе — пне практически прекращалось полностью, если у откры­того копца трубы помещалась стеклянная вата.

На рис. 1 приведены осциллограммы давления у за­крытого копца. Осциллограммы построены в функции вре­мени, пачалом считается момент поджигания смеси. Вер­тикальными черточками в правых концах осциллограмм помечены моменты достижения пламенем закрытого конца. Числа, стоящие ггад кривыми колебания давления, дают частоты записанных колебаний в герцах.

Еслп сопоставить опыты Рийке с только что описан­ными опытами Коварда, Хартвелла п Джорджсона, то ста­новится очевидным, что целый ряд признаков объединяет их, Основным является при этом то. что в обоих случаях

Возбуждаются собственные гармоники длинных труб, при­чем это возбуждение происходит в результате теплопод — вода.

В последние 10 — 15 лет вибрационное горение стали наблюдать не только в опытах академического типа, наподобие описанных выше, по и в двигателях и топках. При этом оказалось, что в подобных устройствах могут

«-FFffTTTI-

Рис, 2. Возможные типы акустических колебании газовых масс в жидкостном реактивном двигателе.

Возникать акустические колебания разных типов. Покажем это на примере жидкостных реактивпых двигателей.

В периодической литературе приведены многочисленные исследования, связанные с наблюдаемым в жидкостных реактивных двигателях самовозбуждописм акустических колебаний. Оказалось, что в зависимости от конкретных условий могут возбуждаться два типа колебапий — про­дольные п поперечные. Поперечные колебания в свою очередь могут быть поделеиы на тангенциальные и радиаль­ные. Эти три типа акустических колебаний отличаются формой стоячих волн, возникающих при их реализации в камере сгорания.

На рпс. 2 приведены соответствующие схемы. На схеме а показаны продельные акустпческпе колеба­ния. Прямыми без стрелок даны лпнпп равных зпачений мгновенных давлений, стрелками показапо движение газовых масс, слева — в момент, когда эти массы движутся видавсь’а справа — через полпериода (на схеме приведена лишь колебательная составляющая скорости). При этих колебаниях воздушные массы движутся вдоль осл симмет­рии камеры сгорания, так что пульсаднонная составляю­щая скорости складывается со сроднен скоростью тече­ния газовых масс вдоль камеры. Па схеме б показапы тангенциальные колебаппя. Они ве многом подобны про­дольным, но происходят в поперечном направлении камеры сгорания. При этом, в силу того, что поперечное сечение камеры является кругом, линии равных давлении пере­стают быть прямыми. На схеме в даны радиальные коле­баппя. Последний внд колебаппй обладает осевой сим­метрией, причем осью симметрии является ось камеры сгорания.

Если вспомнить, что частота акустических колебаний связана с расстоянием, которое должен преодолеть аку­стический импульс, и, кроме того, учесть, что длина камеры сгорания обычно много больше ее диаметра, то легко сообразить, что наиболее пнзкой частотой колебаний будут характеризоваться продольные колебания, среднее положение будут занимать тангенциальные, а наиболее высокая частота будет свойственна радиальным коле­баниям.

Сравнивая оппсанпые здесь три типа акустических колебаний с опытами Коварда, Хартвелла п Джорджсоиа и звучанием трубы Рнйке, легко видеть, что лишь про­дольные колебания в камере сгорания жидкостного реактив­ного двигателя имеют много общего с этими экспериментами. Точно так же продольными акустическими колебаниями оказались пульсации давления, паблюдавшттеся в пыле- угольных топках, прямоточных воздушно-реактивных дви­гателях, ряде опыт пых установок при академических исследованиях процессов горения н т. п. Таким образом, продольные акустические колебания представляют значи­тельный интерес, выходящий за рамки какой-либо одной узкой проблемы.

Настоящая книга посвящена исследованию однпх лишь продольных акустических колебаний, причем предпочтение отдавалось вопросам, не связанным с рабочим процессом в жидкостных реактивных двигателях. Это делалось глав­ным образом потому, что вопросам колебаппй (в тем числе и продольных) в камерах с гор а пня жидкостных реактив — s2j схема идеализации процесса самовозбуждения іі)

Пых двигателей посвящена недавно вышедшая на русском языке монография JT. Крокко и Чжен Синь-и1).

Что касается поперечных акустических колебаний, то они изучены к настоящему времени еще недостаточно полно. Ознакомление с ними наиболее целесообразно вести по статьям, появляющимся в периодических изданиях. Ряд положений, обсуждаемых в настоящей книге, может ока­заться полезным и при разработке теории поперечпых коле­баний, поскольку и в том п в другом случае существо явления сводится к самовозбуждению акустических коле — ба ги і и теп л оно дно дом.