高速起动射流过程中可压缩涡环的生长演化及其对瞬时力的影响规律

高速可压缩起动射流广泛存在于一些工程应用中,其射流过程伴随着复杂流动结构的演化,并对力和声有着显著的影响。为了研究高速起动射流过程中流场结构演化与瞬时力之间的关系,设计了一种开口激波管装置用于产生高速起动射流,并采用纹影和粒子成像测速技术(PIV)对高速起动射流产生的流场结构进行测量。与此同时,为了测量高速起动射流的瞬时力,将激波管悬挂并利用高动态微型力传感器直接测量高速起动射流产生的推力。PIV的实验结果表明,高速起动射流的流场主要包括三个阶段:入射激波离开喷口和后方流体迅速膨胀阶段;可压缩涡环卷起并快速生长阶段;可压缩涡环达到生长极限后的演化阶段。瞬时力测量结果显示,高速起动射流所产生的瞬时力呈现出先快速增长、随后缓慢下降的过程,并且瞬时力的峰值时刻与可压缩涡环发生夹止的时刻具有一致性。基于理论估算,进一步发现高速起动射流产生瞬时力峰值的机制主要是由于高速起动射流产生的大尺度可压缩涡环对周围的流体夹带进而带来的动量增益,也意味着可压缩涡环的生长演化产生了较强的非定常力的增益。进一步将喷口形状更换为锯齿型喷口,发现锯齿型喷口显著地减弱了可压缩涡环的环量,进而也降低了瞬时力的峰值,但是根据前人的研究,锯齿型喷口在降低噪声上具有明显的作用。