压力不匹配混合层流场结构的实验研究

为了研究压力不匹配超声速湍流混合层流场结构,采用时间平均纹影、脉冲激光纹影和高时空分辨率NPLS方法获取了相应的流动显示图像。根据不同时间和空间分辨率的实验图像所展示的流场结构,研究了激波与膨胀波对混合层整体结构的影响,分析了压力不匹配对混合层精细结构的影响。

压力不匹配混合层中激波与流场结构的实验研究

为了研究压力不匹配混合层的流动结构以及激波与湍流边界层的相互作用,采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)和伪彩色处理方法获得了流场中Kelvin-Helmholtz涡、激波、湍流边界层以及边界层分离泡等流动精细结构。研究结果表明:压力不匹配导致混合层的转捩位置提前,大尺度涡的结构更加破碎,混合层向压力低的一侧发展。激波的作用使得边界层在激波入射点之后增厚,湍流脉动的加剧导致了激波入射点发生前后的偏移。

超/亚声速混合层压力不匹配时流动特征

为了获得压力不匹配对超/亚声速混合层空间分布与增长、压力分布和相似性等特征的影响规律,开展试验和数值模拟研究。通过粒子图像测速技术PIV测量混合层空间分布,标准k-ω模型模拟稳态流场特征。超声速气流马赫数为1.32,亚声速气流马赫数为0.11,五组不同压比分别为0.82,0.95,1.11,1.22和1.47。研究结果表明:压力不匹配对混合层增长的影响较弱;当压比>1时,混合层沿流向呈现波纹分布,静压呈现高、低压交替分布;压比增加,混合层内无量纲速度分布不变,无量纲总压减小,而湍流强度增加。基于无粘假设的预测模型捕捉了波节的基本结构与分布。

喷射器内流场数值分析

为了增加对喷射器内部流场的系统认识,同时为喷射器数学模型的建立和设计提供参考,采用数值分析的方法,研究了喷射器的运行特性及内部流场。研究结果表明,当混合流场中涡的卷吸作用主导混合时,混合层边界可用于表征相的分布范围;可以通过分析湍动能和涡耗散率定性描述喷射器内流场混合层内涡的特性;当压力不匹配度小于1时,高速蒸汽的可压缩性对涡卷起的抑制作用,需要较长的混合区均衡流场,但可压缩性对混合层发展的影响有上限;当压力不匹配度大于1时,喷管出口处的激波可使混合层增长速度变大,使流场在较短的距离内便达到均衡状态,有效缩短喷射器长度。