超声速燃气射流驱动液柱平衡体实验研究

为了研究在低温寒冷工作条件下单兵火箭发射过程中声、光、焰、烟等缺陷的抑制方法，设计了将防冻液柱放置在发射筒尾管中作为平衡体的实验方案。实验中采用高速摄影系统观察了超声速燃气射流驱动防冻液柱在大气环境中的扩散过程，并利用压电式传感器测得了发射筒周围的冲击波超压值，对比了燃气驱动防冻液柱和液体水柱两种状态下射流流场的测试结果。实验结果表明，由于液体柱的阻碍作用，射流流场发展初期的径向发展速度相比于轴向发展速度更快。随着射流流场的逐渐发展，出现了Kelvin-Helmholtz不稳定效应。以防冻液柱为平衡体时，弹丸所获初速更高，由于防冻液气化潜热较高，相比于液体水气化时吸收了更多的燃气能量，降低了射流特征参数。通过与以液体水柱为平衡体的射流流场对比，发现以防冻液柱为平衡体时整个测点区域的噪声声压级峰值均有所降低，声压级降低了1.5 ~ 3.5dB，验证了此方案的可行性。     

圆形和矩形燃气射流在受限液体中扩展特性的对比研究

为研究不同喷孔结构的燃气射流在受限液体工质空间的扩展特性,采用VOF(Volume of fluids)模型分别对圆柱形充液室中圆形射流和矩形射流扩展过程进行气水耦合数值求解。考虑了燃气可压缩性、流体粘性和热量交换因素对射流扩展特性的影响。通过数值模拟,获得圆形射流扩展形态及轴向速度计算值,与实验结果吻合较好。在此基础上,进一步对比分析了矩形射流和圆形射流的扩展特性,获得射流场中密度、压力、温度和速度的分布图以及涡的演化过程。计算结果表明:燃气自喷孔喷出,由于出口处压力较大,高温燃气继续膨胀产生膨胀波,膨胀波在气液界面反射形成压缩波,圆形射流的膨胀波和压缩波均比矩形射流强。燃气射流扩展过程中,由于周围液体惯性效应,气液卷吸掺混效应以及膨胀压缩波作用,圆形射流的压力场和温度场分布较矩形射流更加复杂,同时刻的圆形射流轴向扩展速度也比矩形射流小。从速度云图发现矩形射流的速度核心区比圆形射流速度核心区要短;同时从圆形射流和矩形射流不同截面流向速度分布图发现流向速度峰值均发生了偏移,但矩形射流发生偏移的区间更长,偏离距离更远。     

后壁倒角对空腔噪声的抑制效果

对不同后壁角度（δr）时长深比为9的空腔模型底面中心线上的声压级分布、不同测点声压频谱特性进行分析,着重研究了后壁倒角对空腔噪声的抑制效果。结果表明,无论是在亚声速还是在超声速,空腔后壁角度增大,使得空腔内不同测点的声压级都有所降低,特别是后壁处的声压级明显降低;对不同测点的声压频谱特性也有一定影响,特别是对空腔流激振荡峰值频率时的噪声声压级有较为明显的抑制效果。可见,增大空腔后壁角度对空腔噪声有一定的抑制效果。     

亚声速旋拧射流噪声中的温度效应

采用大涡模拟（LES）方法模拟亚声速旋拧射流,着重考察温度效应对旋拧射流近场流动演化过程、湍流脉动空间发展和远场噪声的影响。线性稳定性分析表明,旋拧射流中提高射流中心温度会增加剪切层的扰动增长率;数值结果显示,加热会促进剪切层中大尺度结构的产生及相互作用,促使流动更快进入湍流状态,并缩短射流势核区的长度。在初始层流发展阶段,加热会提高中心线上的流向速度脉动峰值,但是对剪切层中的流向速度脉动峰值几乎没有影响;在湍流发展阶段,提高射流中心温度会提高流向速度脉动衰减率,并降低脉动幅值。此外,在非等温射流中,密度脉动幅值要远高于等温射流。在30°方位角附近,等温射流的总声压级幅值最高,冷射流的噪声幅值最低。方位角大于50°时,加热使总声压级降低,且随着方位角幅值的增大,降低越明显;而冷却则会提高总的声压级幅值。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究*(爆震专刊)

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环在水下的燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波退化为激波在水中的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气泡前期受外界水环境阻滞作用呈现“豌豆状”形态,充分发展阶段气液交界面逐渐失稳,在达到最大尺寸后开始收缩并在中心轴线位置出现凸出的射流；水下爆轰燃气射流发展过程中同时存在脱离燃气泡的水中前导激波和管口燃气泡内的高压区两部分,水中前导激波在传播过程中压力迅速衰减至常压量级,而管口燃气泡内则一直保持较高压力；中心轴线区域气液交界面处反射激波的回传使管口附近出现回击现象,并导致前导激波波阵面上压力峰值逐渐出现在30°方向上。     

喷头运动对水下气幕生成特性影响的研究

为了了解充液圆管内喷头运动过程中的气幕生成特性,采用高速摄像技术记录了喷头运动条件下多股燃气汇聚生成气幕过程。在实验基础上,建立了多股燃气射流在受限液体中扩展的三维非稳态数学模型,对实验工况进行了数值分析,气幕顶端扩展位移的计算值与实测值吻合较好。在此基础上,对比分析相同喷射条件下喷头运动与否对水下气幕生成特性的影响,结果表明:喷头运动,抑制了流场回流作用,增强了对气幕前端液体的推动作用,8ms时气幕运动速度由10m/s增大到11m/s;增大了喷头下游流场压力,8ms时运动喷头表面轴向受力增大了18%;降低了气幕顶部中心区域温度,但提高了壁面处温度。     

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程。建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程。研究结果表明：燃气射流冲击水面时,燃气泡形态在膨胀阶段受到水介质的阻滞作用呈现“豌豆”状,其轴向与径向尺寸有不同的发展规律;同时燃气泡内由于气水冲击作用和燃气扩散受限一直保持较高压力;前导激波传播速度远大于燃气泡发展速度,脱离燃气泡后激波压力值迅速衰减至常压量级,且在中心轴线上的衰减最为剧烈,导致其强度指向性发生改变;前导激波在气液交界面处产生反射,回传的反射激波与后续气流形成的拦截激波碰撞在燃气泡内出现回击现象,使管口附近形成较高的压力峰值。     

边界形状对高压受限射流扩展稳定性影响

为了探索整装式液体炮中提高燃烧稳定性的控制方法,探讨了边界形状对高压受限射流扩展稳定性的影响.建立了二维轴对称气液两相湍流模型,对三级阶梯渐扩型、圆锥渐扩型和圆柱型充液室内的燃气射流扩展过程进行了计算.采用高速录像系统,对阶梯渐扩型和圆柱型边界约束下的射流扩展过程进行了观测.计算与实验结果相吻合.研究结果表明,采用阶梯渐扩型边界可提高高压受限射流的稳定性.     

火箭发动机燃气射流喷水降噪研究

采用有限体积法预估喷水对火箭燃气射流气动噪声的抑制程度.建立并求解了守恒的控制体的质量、动量和能量方程,得到了燃气和水掺混后的等效射流参数,分析了水和燃气的质量流率比对等效射流参数和降噪效果的影响.计算结果和试验数据的结果基本吻合.结果显示,当水和燃气的质量流率比超过一个临界值之后,降噪效率会降低.      

横向气流中的液体圆形射流破碎实验

采用了高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流破碎过程进行了研究.实验中使用的喷嘴喷孔直径为0.3 mm,研究液体工质采用水,液气两相动量通量比的范围为10.2～80.结果表明,射流表面初始波动是蛇形波动,在气动力作用下逐渐发展成螺旋状表面波,最终增长到一定程度使得液体断开.随着气流速度的增加,气动力在射流破碎过程中将取代表面张力而占据主导地位,而且螺旋状表面波幅值会随气流速度增加而增加.射流运动轨迹脉动幅度随气流速度增加而增强,随射流速度增加而减弱.同时给出了射流破碎位置坐标与液气两相动量通量比之间的关系式,以及射流液柱在破碎点之前类似抛物线的轨迹曲线公式.      

固体火箭发动机喷流噪声测量及声场分析

为了研究分析固体火箭发动机喷流噪声特性及其声场分布规律,设计实验发动机,采用LMS数据采集系统及噪声处理软件通过传感器对固体火箭发动机喷流噪声进行实验采集和测量分析。实验结果表明：同一测量位置处,随着推进剂燃温的降低,噪声峰值降低;随着燃烧室压力及喷管出口马赫数的增高,噪声峰值升高;该实验工况下,发动机喷流噪声声压级分布在120-140dB,峰值频率4500-5000Hz。实验结果对固体火箭发动机喷流噪声场的预测提供了实验依据。     

导流槽构型对火箭起飞时流场和声场的影响

为了研究四喷管运载火箭起飞时火箭周围噪声环境问题,建立燃气/空气双组分的可压缩流动模型,采用2阶Roe格式、SAS(scale-adaptive simulation)湍流模型和声学类比积分法Ffowcs-Williams Hawkings(FW-H)求解三维Navier-Stokes方程。以单机火箭的噪声问题为对象开展数值模拟,并将噪声数值计算结果与试验数据对比,误差在3dB以内(相对误差小于1.6%),验证预测噪声方法的有效性,进而研究四喷管运载火箭起飞阶段采用不同导流槽构型对箭体舱段区域噪声环境的影响,结果表明:在相同噪声接收点处,单侧导流槽对应的总声压级比双侧导流槽大,两者的总声压级(OASPL)之差最大为10.7dB。另外,当采用单侧导流槽时,沿周向接收点的噪声总声压相对单侧导流槽中心截面呈对称分布,而且沿导流出口方向逐渐增大。所建立的噪声数值方法为大推力捆绑运载火箭舱段的噪声环境预测及其控制提供一定参考。     

波瓣混合器喷流降噪技术实验

在消声室内的喷流噪声实验台上,对大涵道比涡扇发动机混合式排气系统缩比模型进行了冷喷流噪声实验,以环形混合器为基准,研究了采用波瓣混合器的喷管喷流远声场频谱特性和降噪效果.研究结果表明:与采用环形混合器的基准型喷管相比,波瓣混合器喷管在低频段有很好的降噪效果但高频段的声压级有所升高,波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级明显降低而中游方向和上游方向的总声压级升高.随着波瓣混合器出口处内外涵气流速度差的增大,波瓣混合器喷管低频段的降噪效果越来越明显但高频段声压级的升高也会不同程度地增大,在波瓣混合器喷管下游方向(θ=150°)的总声压级降低更加明显的同时中游方向和上游方向的总声压级也有所升高.      

吊挂安装效应对热喷流噪声影响实验

利用位于全消声室中的热喷流噪声实验台对涵道比为5.5的分开式排气系统进行了吹风实验,研究了在起飞工况下吊挂的安装效应对喷流噪声和锯齿型喷管降噪效果的影响。结果表明:吊挂的安装效应改变了喷流噪声周向的频谱特性;安装效应降低了喷流噪声低频段的噪声并导致高频噪声增加;安装效应对吊挂上方位置低频段噪声降噪量最大,其最高频谱降噪量为3.7dB;带吊挂锯齿型喷管对吊挂上方喷流噪声影响较小,但是会降低吊挂下方和侧面的低频段噪声,其中对吊挂下方低频段噪声降噪量最大,频谱降噪量最大约1.3dB;锯齿型喷管对侧面位置的高频噪声影响最大;吊挂的安装效应对喷流噪声远声场总声压级指向性影响不大。      

冠状喷口抑制涡扇发动机喷流噪声试验和数值研究

 以揭示发动机喷流噪声声场分布和冠状喷口抑制喷流噪声为目的,对涡扇发动机排气噪声声场和喷流流场进行了试验和数值计算,对比分析不同结构的冠状锯齿对喷流噪声的综合抑制效果。结果表明:采用大涡模拟(LES)、FW-H (Ffowcs Williams-Hawkings)声学模型和傅里叶变换的方法,可以预测出喷流噪声的空间分布和声压级值;冠状锯齿产生的阵列流向涡是强化流体间混合、降低喷流速度峰值、抑制喷流噪声的根本所在;在本文研究参数范围内,冠状锯齿结构不仅将排气喷流噪声由原型排气系统的159.6 dB降低到154.3 dB,而且冠状锯齿给喷管带来的损失控制在1.7%以内。锯齿冠状结构对分开排气式大涵道比涡扇排气系统喷流噪声有抑制作用。     

分开排气式喷管喷流噪声预测及试验研究

为揭示涡扇发动机分开排气式喷管喷流噪声的频谱分布和指向特性,对喷管缩比模型远声场喷流噪声进行了预测及试验研究,并开展了全尺寸喷管基准型及锯齿型喷流噪声的预测工作。结果表明:采用Tam & Auriault方法可以预测出喷流噪声的声压级值和空间指向分布,喷流噪声具有明显的指向性。与基准型喷管相比,锯齿型喷管具有良好的降噪效果;内外涵锯齿型喷管在中低频段的降噪效果优于内涵锯齿型喷管,在高频段的降噪效果差于内涵锯齿型喷管;在本文研究参数范围内,指向角小于88°时内外涵锯齿型喷管总声压级(OASPL)值高于内涵锯齿型喷管。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

尾部二次喷流抑制喷管分离流动的数值研究

以某液体火箭喷管缩比模型为研究对象,分析了相应的流场形态和二次流喷嘴喷射角度、面积比及其工质总温等参数对喷管分离流动抑制效果的影响.结果表明:当采用二次流喷嘴时,喷管达到满流所需的入口总压下降了37.8%,随着喷嘴喷射角度由0°增至25°,喷管流动分离点位置向喉部推进约0.01m,抑制效果明显变差,而随着喷嘴工质总温由300K升至1500K,喷管流动分离点位置向出口推进约0.005m,抑制效果略有增强,喷嘴面积比在保证其不出现分离流动时对抑制效果没有影响,否则会使抑制效果变差.      

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。