欠膨胀超声速射流不稳定性机理的数值研究

应用NND有限差分格式求解轴对称可压缩N—S方程,研究了不同驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性,计算结果表明欠膨胀超声速射流的失稳机制根据射流激波结构的特征可分为3种失稳模式:具有规则反射激波结构和单一剪切层特征的射流不稳定性;带有马赫反射激波结构和双剪切层特征的射流不稳定性;具有弯曲马赫杆和高度欠膨胀射流的不稳定性,对于欠膨胀超声速射流,沿射流方向重复出现拟周期性的射流激波结构是射流稳定发展的特征,这种射流激波结构的消失是射流开始失稳的标志。

欠膨胀自由射流密度场的丙酮平面激光诱导荧光显示与测量

介绍了利用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量自由射流密度场的原理,并对两种射流总压下含有丙酮蒸气示踪剂的欠膨胀自由射流的密度场结构进行了显示。所得图像直观地显示了射流的桶状激波和马赫盘等特征信息,从中可以看出射流欠膨胀度主要影响马赫盘以前的流场,射流欠膨胀度越高,则射流直径越大,马赫盘越远离喷口,桶状激波越向外凸出。为检验丙酮PLIF技术测量密度场的精度,对实验流场进行了数值仿真。仿真所得到的密度场结构以及沿射流轴线的归一化密度变化曲线与实验得到的相应结果符合较好。

基于欠膨胀射流的SiO_2/环氧树脂纳米复合材料制备方法研究

为实现在不添加分散剂的情况下将纳米粒子均匀分散在液相物料中,提出了一种基于欠膨胀射流的液相物料纳米粉添加分散方法.该方法利用欠膨胀射流将纳米粒子以气-粉微气泡的形式分散到液相物料内部,并利用微气泡受高频挤压爆破释放的能量,以及气泡膨胀过程产生的超声波效应和高拉伸场效应来实现纳米粉在液相物料中以纳米尺度粒子分散.设计了相应的分散系统,进行了无分散剂下纳米SiO2/环氧树脂添加分散实验.通过TEM和Tg测试对实验样品进行了表征,结果表明,分散相粒径在15～30nm之间,SiO2纳米颗粒均匀地分散在环氧树脂中.Tg温度比只经过一般高速机械搅拌得到的复合材料提高了约18℃.该方法解决了SiO2纳米粉颗粒在环氧树脂中的团聚问题.

水下欠膨胀高速气体射流的实验研究

采用实验途径研究了水下高速气体射流的动力学特性，研制了水下高速气体射流实验系统并发展了相应的测试手段．实验中，用插入式静压探针测量了射流轴线静压分布；用γ射线衰减法测量了径向空隙率分布，从而揭示了水下高速气体射流均压和掺混两个过程的基本规律．测量结果表明：水下高速气体射流在欠膨胀工况下运行时，近场将出现含有复杂波系结构的膨胀压缩区域，由于气水的掺混作用，水下欠膨胀气体射流均压化过程比空气中衰减得快．测量结果还表明，水下射流在近场区的混合层由气水两相占据：其流态从靠近气体侧的液滴流型过渡到靠近液体侧的气泡流型．

强欠膨胀圆管射流中二次涡环的形成机理

基于大涡模拟方法与高精度混合格式,对出口压力比(n)为1.4与4.0的弱与强欠膨胀圆管射流初始流场进行了数值模拟。结果清晰地描述了两种压力比条件下欠膨胀射流初始流场的结构特征,包括涡与激波结构及它们演变过程,发现强欠膨胀射流中二次涡环是由三波点向下游形成的滑移层失稳而直接卷起,此与弱欠膨胀情况不同。另外,还讨论了二次涡环在绕主涡环外缘向后翻转过程中的演变过程及其对主涡核的影响。当n=4.0时,得到射流域内桶形激波长度与马赫盘直径分别为24mm与0.84mm,与经验公式的计算结果相符。

欠膨胀超音速燃气自由射流的工程计算方法

针对欠膨胀燃气射流提出了一种工程计算方法。该方法用准一维完全等熵流计算起始膨胀段，用修正过的动量均化特性模型计算射流初始段，射流主段计算则利用流场的自模性来实现。该方法快速简便，结果能较好地近似欠膨胀火箭燃气射流的射流特性及参数分布。与动量均化特性模型相比，本文的方法在处理射流初始段上更趋合理。

欠膨胀火箭多股喷流干扰流场的数值模拟

本文利用高精度的TVD有限体积差分格式,对欠膨胀火箭多股自由喷流的干扰流场进行了数值研究,给出了两股自由射流的干扰流场的复杂激波系结构,包括内、外层反射激波、相交激波等波系结构。数值结果与实验结果较为吻合。

基于欠膨胀喷射火模型的含氢天然气管道失效后果分析

含氢天然气管道输送是氢能利用的重要途径之一。针对含氢天然气高压输送管道失效可能引起的欠膨胀喷射火,采用计算流体力学软件Fluent,建立对应的含氢天然气欠膨胀喷射火的模拟模型,模拟模型利用Birch模型描述喷口处的工况,将模拟研究结果与已有试验值进行了对比,验证了该模型的准确性,并分析了模型的网格敏感性。基于该模型研究了氢气含量、管道压力和喷口尺寸对火焰轴线温度分布及火焰长度的影响规律,并揭示了相应的影响机制。

高度欠膨胀射流的瞬态近场结构

为增加对高度欠膨胀射流物理流动规律,特别是对其近场瞬态结构特征的认识,利用基于Open FOAM函数库开发的可压缩流动求解器astro Foam,对喷压比(NPR)分别为5.60,7.47,9.34,11.21,雷诺数Re约105的高度欠膨胀射流进行了三维大涡模拟。首先讨论了射流近场的时均流动特征,发现大涡模拟计算成功捕捉到了高度欠膨胀射流近场的典型结构,并与实验测量和文献结果吻合较好。重点研究了高度欠膨胀射流近场的瞬态非定常特征,给出了实验难以测量的射流近场波系结构的建立过程,发现其主要受初始条件的主导,喷压比的影响较为有限。揭示了马赫桶内精细的小尺度胞格结构,并通过高速脉冲纹影图片予以初步证实。定量地研究了射流马赫盘的振荡特征,发现其具有强瞬态和高非线性的特点,不同喷压比下马赫盘的振荡周期相同,主要受f=5.298k Hz的轴对称模态的主导。

欠膨胀高速湍流射流近场特性的数值模拟

发展了分析欠膨胀高速湍流射流近场特性的数值方法，计算了不同背压比条件下声速喷管出口附近膨胀区的波系结构。

欠膨胀高速射流的压力均一化过程

发展了分析欠膨胀高速湍流射流近场特性的数值方法，计算了不同背压比条件下声速喷管出口附近膨胀区的激波胞格结构，揭示了压力均一比过程的机制．

低度欠膨胀超音速圆盘止推气体轴承缝隙射流的数值模拟

采用SSTk-ω湍流模型,对高压圆盘气体轴承出流气体形成的低度欠膨胀超音速圆盘缝隙射流流场进行数值模拟。结果表明,低度欠膨胀超音速圆盘射流起始段1的流场波系,与低度欠膨胀超音速轴对称射流类似;起始段2中由于黏性作用逐渐深入核心区,使核心区宽度持续减小。进入亚音速基本段之后,核心区消失,射流对称面上速度持续下降,直至出现滞止区。与此同时,缝隙射流发生规则分离,两股气流偏离滞止区向两侧流动,在射流左右两侧的远场形成规则对称的两个大尺度环状漩涡。

欠膨胀喷流对锥体冲击流场激波结构的数值模拟

采用高精度的ＴＶＤ有限体积方法及四步Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ时间进展多步法，数值研究了喷流对锥体冲击流场的激波结构，同时利用“冻结粘性”技巧，减少了计算工作量，加速了迭代收敛。通过改变锥体距喷口的位置，得到了几种不同的激波系结构，并与自由冲击流场的波系结构进行比较。数值结果表明：所获得的冲击流场激波系结构十分清晰，包括喷流边界、反射激波、马赫盘、附体激波等。

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。

不对称喷管欠膨胀超声速射流的数值模拟

采用改进的MUSCL格式解三维可压缩平均雷诺纳维尔 斯托克斯方程组,湍流模型为Spalart Allmaras代数模型,数值模拟了四种调整片不对称喷管在喷口压比为2.0、2.8、3.4和4.0条件下的欠膨胀超声速射流场,获得了射流场流谱和参数分布,并给出了单调整片不对称喷管出口压强比与射流偏转角和扩张角的分布曲线,计算结果和实验数据符合良好。

超音速欠膨胀多喷管燃气射流的数值模拟

文中针对XX-XX联合动力装置尾喷管射流在超音速、欠膨胀状态下进行了三维流场数值模拟,对燃气流场中的压力、密度、马赫数的分布进行了理论计算,并对流场的激波结构进行了对比分析,控制方程为三维、雷诺平均Navier-Stokes方程及k-ε二方程的湍流模型,差分格式采用具有TVD性质的二阶精度的VanLeer格式,流场计算采用贴体坐标。数值计算的结果表明,所采用的算法适合于模拟复杂射流流场,可用于火箭武器系统工程技术问题的研究。

水介质中欠膨胀音速空气射流的流场结构研究

本文介绍了为研究两相射流在中国船舶科学研究中心新建的相关实验设备。实验表明速度与空隙率在气射流－水和气射流－气径向剖面上具有自模拟特性。基于射流湍流边界层基本方程的理论工作揭示了速度和空隙车沿射流轴线的分布规律，井已为实验所证实，同时推荐了一些可能应用于工程问题的射流速度和空隙率的半经验公式。

不同喷压比下欠膨胀射流对特征频率激励的响应

为了揭示欠膨胀激励射流的流动机理,以及考察不同喷压比下射流对相同激励的流动响应,采用大涡模拟方法,对喷压比NPR=5.60和9.34的欠膨胀定常射流和激励射流进行了三维数值计算。激励频率为定常射流中固有的轴对称频率fe=14.569kHz,激励形式为在射流喷管入口处施以正弦压力扰动。结果表明,特征频率激励影响射流的声场特征,缩小射流核心区的范围,减少射流近场的激波胞格数目,并影响射流气体与环境空气的混合。同时,激励射流的特征频率转变为激励频率及其高阶倍频,激励射流的主不稳定模态均为轴对称模态。其中,NPR=9.34的欠膨胀射流的主不稳定模态和外加压力扰动的形式相一致,射流与外加激励发生了更加剧烈的流动耦合和响应。这使得在NPR=9.34时,射流核心区长度减小得更多,压力脉动的振幅更大,激励对射流混合的增强作用更加明显。

超声速欠膨胀冲击射流数值模拟

超声速欠膨胀冲击射流有着重要的实际应用价值,如S/TOVL飞行器、火箭发射、除尘等。其流场结构复杂,包含间断激波、反射激波、马赫盘、滞止泡以及冲击平面传热不同于亚声速冲击射流的特点。为了分析超声速欠膨胀冲击射流流场和传热,采用有限体积法,结合k-l湍流模型以及二阶精度的TVD格式进行数值模拟:对比实验和k-ε湍流模型的努赛尔数,得出k-l湍流模型在传热问题中更具优势;对比阴影图和计算密度云图以及对比冲击平面压力系数的实验值和计算值,验证了k-l湍流模型模拟超声速欠膨胀冲击射流流场的合理性;采用k-l湍流模型研究3种冲击高度(3D,6D,10D),3种压比(2.0,3.4,4.4),3种喷管总温(493 K,591 K,580 K)下,冲击平面温度分布。数值研究结果对分析超声速欠膨胀冲击平面的烧蚀有一定的指导意义。

超声速欠膨胀喷流噪声数值模拟研究

本文采用LES/FW-H混合算法开展超声速欠膨胀喷流噪声模拟,研究了欠膨胀状态下喷流流场与声场特征,发现欠膨胀喷流核心区下游平均流向速度衰减较理想膨胀喷流减缓,而湍流速度脉动值增大。此外,欠膨胀喷流中激波波系/喷流剪切层干扰增大了作用点附近的高频和低频压强脉动值,其辐射的宽频激波噪声增强了侧向与上游方向的高频噪声。通过分解近场声场,并结合激波波系的捕捉结果,详细给出了激波泄漏产生宽频激波噪声的过程,揭示了宽频激波噪声的产生机理。