冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数(Ma=1.50,2.02,3.09)条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性,基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68,喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征,得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外,因桶形激波背风面低压区处的斜压效应,射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对,反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动,形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面,因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。

超声速气流中液体横向射流的非定常特性与振荡边界模型

针对液体圆柱射流垂直喷入超声速横向气流中的非定常分布特性开展实验研究,并建立穿透深度方向上的射流振荡分布模型.利用脉冲激光背景成像方法 "冻结"拍摄马赫2.1(Ma=2.1)气流中煤油射流/喷雾瞬态图像,结合最大类间方差法(Otsu)和Canny算法提取瞬态图像特征,基于统计方法并引入间歇因子(γ)定量描述射流振荡分布特性;通过研究多参数协同作用下的射流振荡分布规律,提出振荡分布数学模型,研究的参数变量包括超声速来流总压(642—1010 k Pa)、液体喷注压降(0.36—4.61 MPa)、液体喷嘴流道直径(0.48 mm/1.0 mm/1.25 mm/1.52 mm)、距离喷嘴的流向距离(10—125 mm)以及液气动量通量比(0.11—7.49).研究中利用射流振荡分布模型成功预测出水射流在Ma=2.1气流中的的振荡分布,预测分布与实验结果符合良好.

激波对超声速流中横向射流的影响

为了揭示激波对超声速流中横向射流的影响,在超声速流中利用长9mm、坡度为23°的斜坡产生激波。组合利用高速摄影仪和纹影仪拍摄激波入射在气体和液体射流的不同位置,以及相同位置不同喷注压降时的流场纹影和阴影图像。结果表明,激波对气体和液体横向射流的影响基本相同,都表现为入射激波增强了湍流度,扩大了燃料空间发展区域,增强了与主流的混合,激波入射在射流的前部比射流的后部影响大。

超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型

对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型.基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失,提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型.利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像,研究的参数变量包括液体喷注压降(1-2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm/1.0 mm)及液气动量比(3.32-7.27).研究结果表明,采用连续液柱模型可以较好地预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态,并可较为真实地反映实际流场特征,预测结果与实验结果吻合良好.

脉冲激励对超声速横向射流混合强化模拟研究

对脉冲激励的超声速横向氢气射流混合过程进行三维非稳态雷诺平均(URANS)模拟,湍流模型为k-w SST模型。与无激励措施的混合结果相比,燃料射流喷口下游增加脉冲激励会强化流场中大尺度结构如反向涡对(CVP)与涡对(TCVP),进而增强射流与主流的混合过程。射流穿透深度、混合效率以及总压损失的计算结果表明:当脉冲频率为50 k Hz时,能够更好地提高射流的混合效率;增大脉冲幅值可以明显地增强氢气与空气混合进程,同时总压损失未受脉冲扰动的影响而增加。

超声速横向气流中射流破碎过程的数值研究

基于流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)方法对超声速横向气流中射流破碎过程进行数值模拟,通过与国内外实验对比,验证了该方法捕捉液柱轨迹的准确性和模拟气相流场的可靠性。针对基准工况以及不同动压比工况下超声速横向气流中射流破碎过程的计算,结果表明:高频的周期不稳定波在液柱破碎中起主要作用;液体射流与超声速横向来流存在强相互作用,形成弓形激波、分离激波以及激波交错的复杂激波系;当动压比升高时,液柱沿流向破碎点位置几乎无变化,而液柱破碎点位置的穿透深度明显增加。

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。

煤油在超声速气流中非定常横向喷射的实验观察

本文目的是研究煤油在超声速气流中非定常横向喷射问题 ,并与静止和亚声速气流中的结果进行对比。改造普通油嘴并采用单次高压燃油喷射系统 ,得到不同延时的流场阴影照片。结果表明 :在超声速气流中 ,射流柱破碎是由迎风面的表面波引起的 ,破碎点位于表面波的波谷。雾化过程可分四个区域。射流激波贴近射流柱的迎风面 ,并在通道内壁反射 ,非定常喷射的波系演化复杂。煤油在亚声速气流中喷射 ,不存在射流激波 ,破碎点沿射流柱上移 ,穿透深度变大 ,但破碎和雾化特征与超声速气流相似。本文结果还表明 :燃料物性参数对亚、超声速气流中射流柱的破碎和雾化特征以及激波结构的影响不大。

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中 ,喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用 ,激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对收缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量 ,获取了射流轴线上的速度分布。从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间距与前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致 ,但是比该经验公式值低 5 %以上 ,表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。

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。

在超声速高超声速流中横向喷流的分析计算

根据动量守衡导出的一种快速工程计算方法，计算了超声速高超声速流中横向喷流轨迹．并对实验研究中菱形后楔面喷流进行了分析计算．给出了各种流动和几何参数的影响．

超声速主流中横向喷流场的激波-旋涡结构的数值模拟

本文利用NND格式,通过求解NS方程,对二维超声速主流中横向喷流干扰流场进行了数值模拟,计算清楚地给出了激波结构、回流区和混合层。本文计算得到的激波结构和实验相当一致。最有兴趣的是由于喷流的干扰,主流在喷口前发生主涡分叉,观察到三个流向旋转涡和两个反流向旋转涡;在喷口后的背风区,存在具有低压和回流区的尾迹。

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。

从斜面喷射的两股超声速旋转射流的混合

试验研究了从斜面喷入超声速气流中的双股 旋转氦气射流的混合,阐明了由斜面和漩流引发的漩涡之 间相互作用。通过更换筒形空腔将射流介质引入喷嘴的措 施来改变射流强度及方向。旋转流的方向既可以与斜面漩 涡相同,也可以相反。在三个截面处测量了氦气的浓度分 布。同方向旋转流引发射流介质进入双股射流的中心平面, 合并成单一射流,而反向射流,仍分别保持单一射流。但 是,在具有不同方向和强度的旋转流试验中,观察到氦气的 最大浓度无明显差别。

数值模拟侧向超声速单喷流干扰流场特性

采用数值方法研究了平板上超/高超声速来流与超声速横向喷流相撞引起的复杂干扰流场特性。所建立的单介质冷喷流数值模拟方法,经过了表面多方位压力分布测量结果、纹影显示的激波结构以及表面油流图谱表现的表面分离范围的实验验证。根据数值模拟与实验对比的结果,合理地描述了喷流干扰流场压力分布以及表面、空间结构特性,并分析了压力比对流场结构和特性的影响。

超声速横喷干扰湍流场数值模拟

本文探讨了超声速平板横向喷流干扰湍流流场的数值模拟方法。分别采用Roe、Harten-Yee及AUSM+格式对三维雷诺平均Navier-Stokes方程进行离散,湍流模拟应用Baldwin-Lomax代数模型,讨论了B-L模型中Fy最大值的不同选取方式。分析了数值格式、网格划分对计算结果的影响。将来流马赫数为5、喷流马赫数为3的实验结果与计算结果进行比较,选择了与实验符合较好的数值模拟方法,为进一步利用数值计算方法研究喷流干扰流场特性奠定基础。

超声速多喷流干扰流场特性研究

研究了旋成体上超声速来流与超声速横向多喷流相撞产生的层流干扰流场特性.数值方法针对三维可压缩Navier-Stokes方程按二阶精度Roe格式进行离散,采用基于多区对接网格技术的有限体积法.数值模拟结果描述了多喷流干扰流场的空间结构以及激波/边界层干扰引起的分离范围,探讨了沿流向等间距排列的喷口个数对表面和空间流场结构以及压力分布的影响规律.结果表明,第一喷口对多喷流干扰流场主要结构和喷口上游表面分离范围起主导作用.其中三喷流流场数值模拟的对称面激波结构与实验纹影结果进行对比,符合较好.

基于各向异性非结构网格的超声速流动自适应计算

基于各向异性非结构网格,实现了自适应求解技术,将其应用于超声速楔形体绕流及超声速横向喷流问题的计算研究,对各向异性网格自适应计算过程的收敛性和求解精度进行了对比分析,展示了各向异性网格自适应算法在降低问题求解规模。提高各向异性流场分辨率等方面的优势及存在的问题。超声速楔形体无粘绕流场的自适应计算,清晰地捕捉到了激波附近的流场信息,激波前后的马赫数、压力、密度。温度等物理量与理论分析解吻合很好。超声速横向喷流流场存在激波、分离涡、边界层等流场结构的相互干扰。计算研究表明,单纯基于Hes-sian度量张量的各向异性网格生成及自适应算法不能有效模拟边界层内的流动情况,是将来需要进一步开展的研究挑战。