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。     

亚声速等膨胀方管射流轴置换现象的数值研究

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度WENO/TCD混合格式,对Ma=0.6的亚声速等膨胀方管射流的初始流场进行了数值研究。数值结果清晰地描述了初始主涡环的形成与三维演变过程。方管射流具有平面管与圆管射流的一般流场特征,但方管周向曲率的不一致导致轴向流动速度不均匀,使方形主涡环出现复杂的Biot-Savart自诱导变形,并在方形涡环截面上诱导形成4对反向流向涡对。在主涡环的Biot-Savart自诱导变形与流向涡对的诱导速度共同作用下致使主涡环截面形状相对于初始时旋转45°,完成轴置换。另外,在亚声速等膨胀射流中,流向涡对的诱导速度在轴置换中占主要作用。     

二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

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。     

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

密集型空气雾化流场破碎特征数学模型研究

低速液体射流在高速湍流气体作用下的气液同轴射流雾化流场是瞬态密集型喷雾场,高速湍流中影响和控制雾化的因素很多。针对空气雾化流场液核分布与特征进行分析,开发了模拟液核的随机浸入体模型,结合大涡模拟方法对同轴射流空气雾化喷嘴下游流场进行数值模拟。模拟结果与实验结果对比表明：随机浸入体模型可快速捕捉液核的长度和位置信息。当气液动量比M为3~10000时,能够较准确地预测液核长度,当M>10时,其预测结果远优于唯象模型;该模型能够捕捉回流区、大尺度涡等流场结构。同时,可以准确地预测喷嘴附近的液滴粒径,特别是在气流速度较大（>60m/s）时,液滴平均直径预测误差<10%。     

超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

超声速来流与侧向射流作用下的三维流场结构

研究超声速流动与侧向射流作用下的三维流场结构对飞行器表面流体分离控制以及超燃发动机燃料混合等具有重要作用。基于大涡模拟(LES)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=4,平板上侧向射流的流场结构特性进行了数值模拟。模拟结果表明,流场内的主要波系由弓形激波、分离诱导的激波以及桶形激波组成,这与相关实验结果相符。同时,计算结果还清晰显示了射流与主流相互作用下,射流上游的分离区流动呈现高度瞬态特性,分离区内旋涡结构不断变化,数目由2个到4个再到6个不断发展,平板表面流线复杂。射流尾涡摆动,涡管上扬,呈现非定常特性。     

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。      

合成射流激励器实现共轴射流掺混控制

对多排列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟。结果表明,激励器的采用可以增强共轴射流的掺混效果;相邻合成射流产生涡对在孔口处经过相互耦合,形成了更强的旋涡对,并以一种新生合成射流作用周围流场;两排激励器较单排激励器相比,前者控制掺混能力更强,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故。     

横向喷流与超音速主流干扰流场的数值研究

 采用欧拉方程与可压缩涡对模型相结合的数值方法,研究了超音速主流与横向喷流干扰流场的气动特性。喷流横截面用一对反向旋转的可压缩涡来模拟。采用有限元Osher格式及非结构网格数值求解二维欧拉方程以得到非等熵外流场的气动特性及弓波位置。将欧拉方程数值解结果与可压缩涡对流场解结果相结合以研究喷流的轨迹及喷流横截面的变化。最后给出了数值模拟结果并与工程估算结果进行了比较,表明本文所述方法是可行的。     

气膜孔内置扰动条作用下的射流-横流流场

为改善气膜冷却效率,提出了在倾斜气膜孔前缘内置扰动条的结构。通过与典型的圆柱形气膜孔流场的对比研究,总结出内置扰动条对流场的影响规律。研究结果表明,在射流-横流流场中,内置扰动条减小了射流向主流的穿透,使反向旋转涡对向壁面靠拢,穿透顶点下移;扰动条使下游反向涡对的强度增大;随着吹风比的增大,气膜孔下游同一位置处的流向涡强度增大,这一方面增加了主次流的相互掺混,另一方面也增大了流体沿展向的相互掺混。     

低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

为深入分析横流-射流(JICF)的流动特性及其中的复杂涡系结构,从流动机理上研究燃机叶片气膜冷却,揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理,本文对横向流中单孔射流所形成的剪切涡开展了试验研究。主要研究了速度比、雷诺数及射流角对JICF所形成剪切涡的影响。结果表明:速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度,从而改变射流轨迹的曲率、高度及垂向渗透能力,最终改变剪切涡的特性;迎风涡与背风涡分别是由射流边界层涡与主流边界层涡形成的,当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时,背风涡是流场的主导结构,反之,迎风涡将成为流场的主要涡系结构。     

脉冲横向射流的大涡模拟

为了研究脉冲气膜冷却的流动特性,采用基于高阶对称加权本质无振荡(WENO)-Roe格式和隐式牛顿迭代时间推进、动态亚格子模型和预处理技术下的大涡模拟(LES)计算方法,对吹气比为1.0下的斜管横向射流进行了稳态和脉冲两种不同工况下的数值模拟.计算结果显示了射流流场中存在发卡涡结构,研究表明射流孔进口位置的脉冲改变了射流出口拟序结构,即改变了射流与主流的掺混过程.      

超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征

对Ma=1.7的空气超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征进行了实验和数值模拟研究。在喷注的模拟燃料氦气中添加丙酮,采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)观测了设置开式凹腔时燃料在展向和流向的空间分布。针对下游布置不同凹腔时燃料分布相似的实验结果,选取L/D=7的凹腔对其燃料混合流场进行了大涡模拟。实验和仿真结果表明:实验来流条件下喷注燃料大部分直接由喷流引起的上升反转旋涡对带走,只有小部分燃料经由喷流与凹腔流动涡结构的相互作用进入凹腔剪切层,并随剪切层运动对流进入凹腔内部。     

叶栅内冷气射流场结构的数值模拟

采用具有 TVD性质的三阶精度 Godunov格式对涡轮叶栅背弧表面进行了冷气喷射的数值模拟。射流由冷气孔喷出后在空间的发展过程中逐渐形成典型的卵形涡对, 在压力场的作用下射流被压弯并逐渐向背弧表面靠拢。射流在出口附近具有刚体的特性, 并在射流前方形成了鞍点及马蹄涡。同时本文还验证了大冷气喷射速率条件下, 卵形涡消失于主流而非边界层内的结论。      

近临界区液氮低速喷射特性研究

针对低温推进剂在超临界环境中的喷射特性,以液氮为模拟介质,基于SRK状态方程和LES模拟方法开展数值计算研究,获得了4MPa压力下液氮跨临界射流的形态特征,射流密度分布规律与试验结果吻合良好。计算结果表明：在临界点附近,液氮射流表面会形成高比热容屏障,抑制射流内部流体温度升高,从而维持射流核心区稳定;核心区射流表面涡的形成和发展由斜压效应主导,随着射流向下游发展,斜压效应、体积膨胀和粘性效应三者对涡量输运的贡献趋于同一水平;液氮射流破碎后形成并维持大的“高密度块”形态,随着温度升高,密度块逐渐扩散消失。