超声速内流场横向喷流的流动与混合特性实验研究

为研究超声速内流场中横向喷流的流动与混合特性,将丙酮蒸汽加入喷流介质,用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对流场中流向中心截面和横截面上的丙酮进行成像,研究了喷流的运动轨迹、流场结构、混合方式,以及参数对喷流流动与混合的影响。结果表明:喷流柱的波动失稳及喷流剪切层中生成的大尺度结构有助于增强喷流与主流在近场的混合;提高出口马赫数会导致剪切层失稳以及出现大尺度结构的位置移向下游,不利于改善近场的混合;增大喷口直径能增加喷流在展向的扩展,升高喷流总压能增加喷流在展向和横向的扩展,并使出现大尺度结构的位置靠近上游;在喷注流量相同条件下,采用小喷注面积高总压喷注更利于增强混合。

超声速内流道摩擦阻力分析及减阻技术研究

针对带有后向台阶的等截面受限空间,通过三维数值模拟开展了超声速内流道摩擦阻力分析及减阻技术研究。分析对比了飞行马赫数为5、6、6.5及7对应的燃烧室入口条件下相同质量氢气喷注、燃烧对壁面摩擦阻力的影响机制以及不同喷注压力对喷孔下游壁面剪应力的影响。研究结果表明,同等质量的氢气,低速喷注优于高速喷注(507、50.7kPa喷注压力分别得到10%、5%左右的减阻效果)。近壁区燃烧得到接近70%的减阻效果;气流经过突扩结构之后,壁面剪应力呈现规律地不均匀变化,最大差异达100%;剪应力与密度变化趋势基本吻合。因此,发动机内流道减阻的关键在于营造近壁区低密度场;稳定、有效的减阻区域发生在靠后方的位置,但由于流动掺混、燃料的燃烧消耗,减阻效果沿流向逐渐减弱。

激波串的三维结构分析

针对二维数值模拟是否能够完全反映激波串真实结构的问题,研究了Mach数1.5和3.0来流条件下激波串的三维模拟结构与二维模拟结构。研究采用Reynolds平均算法的SST湍流模型对喷管及等直段分别进行三维和二维的模拟,网格量分别为1.8×107和2×105。首先,当喷管满流状态完全收敛时,通过在出口施加线性增长反压的方式诱导出激波串结构;然后,对三维模拟结构在各个视角的不同切面与二维模拟结构进行对比分析。研究发现:来流Mach数1.5下的激波串在xy与zx两个平面视角的结构都为对称结构,与二维模拟结果均高度相似;来流Mach数3.0下的激波串只有一个视角为对称结构,另一个视角为非对称结构,且非对称视角的结构与二维模拟结果高度相似。因此,对激波串的二维模拟结果仅可反映激波串三维结构中的一个“准二维区域”:Mach数1.5的激波串在两个视角的中心切面及两侧对称的一定范围内均可近似为二维结构(准二维区域占比40%左右);而对于Mach数3.0的激波串,只有对称视角中心切面及两侧一定范围内的区域可近似为二维结构(准二维区域占比60%左右)。