三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

楔形凹腔内带前伸槽冲击板射流冲击换热

针对楔形凹腔内带前伸槽冲击板结构开展了传热特性的试验研究，分析了冲击板前伸槽伸出长度比（5~11）、前伸槽宽度比（2.5~8）和射流雷诺数（7900~31700）等参数对凹腔表面温度、展向平均努塞尔数和面积平均努塞尔数以及射流压力损失的影响.研究结果表明:相对于基准冲击板，带前伸槽的冲击板能够使得凹腔的射流冲击对流换热较基准冲击板有较大幅度的改善，但引起较大的射流压力损失；前伸槽伸出长度的增大使得凹腔表面射流冲击对流换热有较显著的增强，对射流压力损失的影响很小；增大冲击板前伸槽宽度可以使得凹腔表面对流换热得到一定程度的强化，但也会造成压力损失的增大.      

冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验

采用红外热像测试技术对占空比（DC）恒定为0.5的冠齿脉冲射流冲击平直靶面，在不同雷诺数（5 000～20 000）、无量纲冲击间距（2～8）和工作频率（10～25 Hz）下进行了对流换热实验研究。结果表明：在小射流冲击间距下，冠齿脉冲射流冲击局部努塞尔数云图在射流驻点附近呈现较为明显波瓣状分布；冠齿喷管在脉冲射流冲击中依然体现出强化对流换热的作用机制，雷诺数和工作频率分别为10 000和15 Hz工况下，射流冲击驻点附近的表面传热系数相对圆形脉冲射流提高幅度在20%～30%之间；在冠齿脉冲射流中，脉冲主动激励和冠齿被动诱导激励之间存在着内在的相干机制，导致其对流换热特性与冠齿连续射流和圆形脉冲射流有较大的差异。     

超声速冲击射流的PIV实验研究

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器（SVTOL）等航空航天领域，然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题，笔者采用PIV（粒子图像测速）技术对超声速冲击射流的流场结构和涡结构进行了深入研究。实验发现在不同的冲击工况下，冲击射流流场结构呈轴对称和螺旋结构，其瞬时流场的主涡结构也有类似特征，脉动流场在瞬时流场主涡结构的基础上会附加与主涡旋转方向相反的次涡结构，在对称和螺旋两种模态下，由于涡结构的影响，冲击射流的近壁速度存在较强的脉动。     

近距离散冲击射流换热实验研究

涡轮叶片内的冲击换热多取近距离散冲击换热 (冲击距与喷孔直径之比 Zn/dn<3,喷孔中心距与喷孔直径之比 Cn/dn<3)。由于在叶片前缘有气膜出流孔 ,因而对叶片内前缘冲击换热做大面积平均实用意义较小。所以本实验旨在总结近距冲击下驻点连线及驻点附近小面积的换热规律并得出新的经验公式 ,这具有较大的实用意义。     

高温气体LTE模型参数计算方法及其在非平衡电弧射流状态诊断中的应用研究

运用统计力学的方法建立了高温氮氧氩混合气体LYE模型参数计算方法及标准程序(压力：10Pa～10^7Pa、温度：3000K～30000K)，这在国内是没有的。在此基础上，建立了高温气体LYE模型参数测量方法，对电弧等离子体射流的非平衡性质进行了检验，结果表明：电流80A、压力0．027MPa下，亚音速氩射流中心是LYE的，中心之外非平衡效应显著，偏离LYE、但是PLTE的，LYE温度与电子温度相差最大达3000K；电流70A、压力0．00149MPa下，超音速氩射流非平衡效应非常显著，LTE模型温度与电子温度相差最大达5000多K。     

横流对冲击射流换热特性的影响

用实验和数值计算的方法研究了横流对单孔短距冲击换热特性的影响规律.结果表明:①在实验研究范围内,冲击靶面平均努塞尔数Nu_av,is随横流的增大而增大;②冲击靶面前区努塞尔数Nu_fia随横流的增大而减小,这是因为壁面附近x负向流动的气流流速绝对值变小,换热削弱;③靶面冲击点附近及冲击靶面后区努塞尔数Nu_bia随横流的增大而增大,原因是在冲击点上游出现的马蹄涡的旋涡方向和冲击射流自身形成的卷吸涡拉伸涡对方向相同,这两种涡的叠加使该区域冲击靶面的换热得到增强.      

近距离散冲击射流宏观流动品质的研究

离散射流宏观流动特性主要是指离散射流的均匀化特性或一排圆射流的二维化进展情况。本文对一排圆射流的自由射流及大空间下的冲击射流宏观流动特性进行了实验研究,目的在于确定在近距离散射流冲击下驻点附近小区内流动的不均匀性,这种不均匀性有可能导致冷却的不均匀性。      

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

应用S-A模型的自由射流和冲击射流数值模拟

为探索轴对称射流准确的数值模拟方法，根据可压缩的轴对称N-S方程，利用二阶精度的有限体积法对轴对称的自由射流和垂直冲击射流进行数值模拟。结果表明采用Spalart-Allmaras湍流模型，可很好描述射流流动。收缩喷嘴射流计算应从出口上游的内流开始，而不能在出口截面上给定声速条件。计算结果与实验吻合较好，所获得的喷嘴内外部流场的流动状况以及冲击射流参数分布，可用于优化喷嘴内部结构设计。     

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。     

不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性

为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性,针对不同压比下,超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态,可区分各纯音模态的声源特性。结果表明:当压比在2.0~3.2之间时,共出现五种纯音模态:A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率,此时流场呈现同轴模态;d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率,且e模态出现时流场转化为螺旋模态,这是一种不稳定模态;当压比大于等于2.53时,纯音模态稳定成单一模态B,B模态纯音频率为啸叫频率,其流场结构转化回同轴模态,啸叫频率对斜板的存在与否不敏感;啸叫频率随着压比的增加逐渐减小,其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。      

超声速气流中凹腔对液体射流穿透深度的影响

采用高速摄影对凹腔上游液体垂直射入超声速气流中的穿透深度展开了试验研究。进行了不同喷注位置和液气动量通量比条件下,平板射流和带凹腔射流的试验,研究了凹腔对射流穿透深度的影响。试验发现,射流穿透深度在凹腔前缘降低,射流边界曲线向凹腔内弯曲;射流穿透深度在凹腔后缘增大。凹腔对射流液雾的卷吸作用使穿透深度降低,剪切层撞击凹腔后缘形成的高压波传递使得穿透深度在后缘增大。减小液气动量通量比是增大凹腔对射流卷吸作用的途径之一。喷注在凹腔上游3倍凹腔深度的距离上,凹腔对穿透深度降低最大。      

射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验

为研究射流自由长度对凝胶推进剂撞击雾化的影响,建立了撞击雾化实验台,制备了煤油凝胶和水基模拟液,测试了雾化装置的喷射系数及模拟液的黏性和稳定性。分析了3种射流速度不同射流自由长度条件下的凝胶撞击雾化特性,观测了射流和撞击喷雾图像。测量了液膜破碎长度、雾化液滴粒径分布和相应的SMD(索太尔平均直径)值。研究结果表明:低速时,随着射流自由长度增大,撞击液膜的喷雾形态会发生较大变化,而高速条件下,雾化形态则基本一致。3种射流速度下,破碎长度在45~9mm之间,并随射流自由长度逐渐减小。液滴分布服从Rosin Rammler规律,并具有较高的拟合精度。均匀度指数均在3~4之间,并随射流自由长度逐渐降低,粒径均匀度降低;较高射流速度下,SMD随自由长度逐渐增大。低射流速度时,SMD随射流长度先减小后增大,射流自由长度存在一个最优值,在设定研究条件下其值为25/3。因此,在设计撞击喷嘴时,根据射流速度选取适当的自由长度值可以获得更好的雾化效果。      

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

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。     

超声速高温冲击射流注水流场实验研究

为了降低发动机羽流冲击流场的温度,减弱其对发射装置的冲击和烧蚀作用,对超声速高温冲击射流的注水流场开展了实验研究。通过高速摄影和红外热像仪两种非接触式测量设备对无注水和注水两种状态下的冲击流场进行了对比拍摄,并且使用热电偶对底板冲击区的温度进行了测量。对注水两相冲击流场的结构和温度场分布进行了深入分析和研究,并与无注水状态下流场进行对比,得出了通过注水方式可以减少核心区长度和面积,降低迎气面温度,减弱其热冲击烧蚀效应的结论。     

火焰射流在横向气流中喷射特性的试验

研究了火焰射流垂直喷射到横向气流中的喷射特性.试验在常温常压下进行,研究了横向主流和射流流动参数对火焰射流穿透深度和温度特性的影响规律,得到了火焰射流温度分布随主流速度的变化规律及射流透入深度与动量比之间的经验关系式.研究结果表明,沿着射流轨迹方向射流温度逐渐降低,射流边界变宽.火焰射流的穿透深度随动量比的增大而增大.在相同的动量比下,火焰射流的穿透深度比常温射流的穿透深度大.