Experimental investigations on cavity-actuated under-expanded supersonic oscillating jet

As one type of potential flow control actuators, cavity-actuated supersonic jet oscillators,which consist of a 2-D convergent nozzle and two face to face cavities, need to be investigated deeply to get the knowledge of their oscillating feature and underlying mechanism. Wind tunnel testing are conducted under different back pressures in a vacuum-type wind tunnel for two supersonic jet oscillators, to obtain their characteristics and the conditions for jet oscillating. The experimental results show that the continuous, nearly symmetric or asymmetric flipping between the two cavities appears over certain nozzle pressure ratio(NPR) range for both oscillators according to schlieren visualizations. Compared to the free jet, the oscillating jet with large exit achieves larger mixing; the oscillating jet with small exit has less mixing, based on the analysis of jet axial peak velocity and the entrainment. The cross-junction mode for estimating the resonance frequency in a pipe with two closed side branches is modified and obtained comparable estimations of the frequency of jet flipping with experimental data, but further investigations are needed to discover the underlying mechanism for the jet flipping.     

2级脉冲爆震发动机中超声速射流对撞诱导激波聚焦试验研究

为研究2-St age PDE中连续超声速射流及结构参数对撞诱导激波聚焦的影响规律,在冷态条件下开展了2-St age PDE中连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的试验。分析了喷口宽度、导流环深度、凹面腔开口端与喷管间距、尾喷管角度、射流入射压力等参数对凹面腔底部峰值压力的影响。结果表明:喷口宽度、导流环深度、凹面腔开口端与喷口间距、射流入射压力越大,凹面腔底部峰值压力越大,激波聚焦效果越好;尾喷管角度越大,凹面腔底部峰值压力越小,激波聚焦效果越差;喷口宽度、导流环深度、射流入射压力对激波聚焦的影响较大。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。     

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。     

喷管加装小突片强化射流混合的PIV测量

在常温、超声速流动状态下,采用PIV技术定量测量了收敛喷管和收扩喷管加装小突片时射流纵截面的速度场和涡量场,并对其速度场和涡量场进行了比较。结果表明,对于收扩喷管,虽然其速度边界层厚度明显大于收敛喷管,但加装小突片结构也能够明显的强化射流的混合。并且发现,小突片结构不仅能产生流向涡,而且对周向涡有明显的强化作用。     

超声速流动中横向射流流场的影响参数

采用高精度的Weighted ENO格式，结合两方程湍流模型，准确模拟了二次射流形成的干扰流场，详细地描述了平板上单股射流干扰流场和喷管扩张段二次射流干扰流场中的激波、流动分离和旋涡运动，同实验结果进行了比较。探讨了射流／主流总压比、射流宽度。以及射流与来流夹角对射流穿透深度、分离距离等影响，揭示了二次射流推力短量控制干扰流场的控制机理。     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

等离子体助燃下超燃支板燃烧室燃烧特性数值研究

为了将支板喷注器与等离子体射流这两种促进超声速燃烧室燃烧的方式结合起来,设计了一种带有等离子体射流喷孔的支板燃烧室,并在超声速来流的条件下,针对燃料喷注总压、燃料喷注位置、等离子体射流介质、等离子体射流总压对燃烧室燃烧性能的影响进行了三维数值模拟。研究发现:增大燃料的喷注总压,燃烧室的燃烧范围明显增大,燃烧效率呈现出先增大后减小的趋势,在燃料喷注总压为2.0MPa时,燃烧效率达到最大值90.4%;不同的燃料喷注位置对燃烧室的燃烧范围影响较小;等离子体射流介质为O2时,燃烧效率最高,燃烧范围最广;提高等离子体射流的喷注总压,能够提升凹腔剪切层高度,有效促进燃烧,但同时也带来了更高的总压损失。     

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

合成射流与横向主流作用的流场数值分析

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道、外部流场作为单连域计算处理的吹/吸型边界模型。在此基础上,对横向主流偏转角及上下壁面压力变化进行了讨论。计算结果表明,激励器布置位置是影响主流偏转角的重要因素,在主流通道内侧,激励器与主流出口之间的上下壁面压力差较大。文中还对两种不同模式下合成射流对主流的控制效果做了比较。     

小突片对热射流红外辐射的影响研究

实验研究了收敛喷管在高温（约913K）、高速（超临界）流动状态下，加装小突片后对热排气的红外辐射抑制特性，并探讨了小突片安装片数、后倾角度、堵塞比等因素对红外辐射抑制特性的影响。结果表明，小突片对热排气的红外辐射具有明显的抑制作用，与不装小突片的相比，不仅使热排气的核心区长度大为缩短，而且使热排气的总体红外辐射信号大幅度下降（在实验范围内，最大可下降约73％）。     

超声速喷流啸声的控制方法

通过实验比较了几种超声速喷流啸声的控制方法,包括附加三角凸台和开V形槽的收敛喷嘴。实验结果表明,带三角凸台和V槽的喷嘴对啸声幅值有明显的抑制,尤其是凸台喷嘴对啸声的模态也产生了明显的影响,但是啸声成分仍然存在,并且在上游方向依然占主导地位。在此基础上提出了一种新的控制方法——凸台加V槽的组合喷嘴,实验结果表明,组合喷嘴完全抑制了啸声,而且对于其它超音速喷流噪声成分的幅值也有一定程度的降低。最后还对各种结构喷嘴的气动推力损失进行了综合评估,结果表明组合喷嘴的推力损失介于V槽喷嘴和三角凸台喷嘴之间,平均推力损失在3%左右。     

超声速和高超声速横向喷流数值模拟

为了解横向喷流的干扰影响和喷口附近的流场结构,采用分块对接网格和“0”型网格技术,数值求解N—S方程来模拟超声速和高超声速流场中横向喷流的干扰流场。对两种尖拱弹身外形的超声速和高超声速喷流干扰流场进行了数值计算,计算结果与风洞实验数据吻合一致。在此基础上,开展了某型导弹多喷构型干扰流场的数值模拟,得出一些横向喷流数值模拟的结论。     

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

超声速飞行器侧向喷流干扰流场传统数值模拟方法的误差分析

使用CFD方法,分别就真实喷管边界和简化喷口边界,计算超声速飞行器侧向喷流干扰流场,研究边界条件对干扰流场及气动力的影响.使用k-ε湍流模型封闭雷诺平均N-S方程,利用非结构网格对流场进行空间离散.通过对比,计算结果与实验值吻合良好,证明该方法具有一定可靠性.进一步研究表明喷流边界条件对喷流干扰流场具有一定影响:相对于简化喷口边界,真实喷管边界喷流出口的非均匀性导致喷口上游分离涡和激波位置较为靠前,从而引起附加气动力和力矩的变化;由于摩擦阻力的作用,真实喷管静推力存在损失;喷流压比为500时,总法向力和总俯仰力矩在两种边界条件之间的误差分别为8.21%和22.4%,误差较大.在进行侧向喷流干扰流场的精确计算时,需要考虑边界条件的影响.      

二维横向喷流的N-S方程数值解

让一股射流横向注入超音速流产生所需要的干扰效应是一种飞行器飞行控制的常用手段,如航天飞机和机动导弹上的反作用控制系统(RCS).所以,对射流与主流相互干扰的某些流动特性应该有个基本的了解.本文通过应用MacCormack显格式和Baldwin-Lomax修正的代数湍流模型求解二维RANS方程对带横向射流的绕后台阶的M_∞为2.19和6.00的超音速外干扰流场进行了数值计算.与无喷射流的情形相比,回流涡旋区由2个增加到4个,且底部压力有大的回升,喷口宽度越大,回升效应越显著.另外,数值计算表明,在压力梯度变化比较平缓的区域附加一四阶人工粘性能有效地抑制数值振荡,加快收敛.     

小突片强化混合结构三维流场数值模拟

采用Roe通量差分分裂格式对带有小突片的轴对称收-扩喷管内外流场进行了数值模拟。小突片形状有三角形和梯形，数目为2个或4个，堵塞比为0.02，0.04和0.06，相对高度为0.08和0.16，安装角分别为120°，135°和150°。计算结果表明在喷管出口安装2个或4个小突片能使得喷管下游内外流掺混时间及掺混距离大为缩短，而对喷管的推力系数影响不大。采用小突片对于降低喷流噪声和抑制尾喷流红外辐射是非常有利的。     

A model-scale test on noise from single-stream nozzle exhaust geometries in static conditions

A model-scale test with single-stream nozzle exhaust geometries was carried out at the anechoic chamber of Beihang University in Beijing, China. The spectral characteristics are investigated, and the effects of the following parametric variations are reported in this paper: impact of nozzle operating conditions on spectra; impact of the presence of a plug; and effectiveness of chevron configurations for noise mitigation. The measurement shows that the change of pressure values has more impact on spectra than the change of temperature values. The spectral change due to pressure is shown at all band numbers for unheated conditions whereas it is more pronounced at high-frequency ranges for heated conditions. An impact of the presence of a plug is also clearly observed. The reduction of noise is moderate up to band number of 35, and becomes more significant at higher band numbers. It is observed that chevron nozzles are more efficient at high pressure and temperature values. It is expected that the quantified analysis will be used to develop an empirical model of single jet noise, which will be the baseline for the development of prediction of noise from turbofan engines of high bypass ratios.