小突片强化混合研究

测试了亚声速 （Ｍａ＝ ０．３５） 下小突片 （Ｔａｂｓ） 对轴对称收缩喷管射流的强化混合效果, 并探讨了小突片安装个数、后倾角度、堵塞比等因素对强化混合作用的影响。结果表明, 小突片对喷管射流的混合具有显著的强化作用, 不仅使下游流场发生显著变形, 使核心流的衰减显著加快（核心流长度从５Ｄ 降至大约１．５Ｄ）, 还使引射系数显著增加（本文中最大增加到２．７ 倍）。     

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。     

矩形主喷管带小突片的排气引射混合系统的试验研究

通过对安装在矩形主喷管出口端的 4组不同面积和顶角的三角形小突片的对比试验, 初步研究了小突片的片数、面积 (或堵塞比)、形状和安装角度等结构参数对排气引射混合系统的气动性能的影响。试验结果表明, 小突片的应用虽然增加系统的压力损失系数, 但它明显地使系统的引射系数增加、混合均匀性改善。      

颗粒对小突片喷口湍射流调制的研究

为了探讨小突片喷口的两相湍射流中颗粒对气相场的影响,采用三维颗粒动态分析仪PDPA测量了气相湍流度的分布,证实了小突片对单相湍射流的强化混合作用。进一步的测量结果表明,在安装小突片喷口的射流中,大小粒径不同的颗粒对气相湍流的调制作用与圆喷口射流中相反。研究表明,当小突片和颗粒多种因素共同作用于湍射流时,最后的效果不等于每种因素单独作用效果的简单叠加。     

小突片红外抑制效应的实验研究

利用地面模拟试验件实验研究了主喷管流速为亚声速,温度610℃左右,下洗气流速度11m/s,位于主喷管出口的小突片的安装方式和尺寸对某型号直升机发动机出口红外隐身效果的影响,实验用的混合管主喷管面积比为1.5。结果表明,和不装小突片时的基准状态相比,安装四片小突片时出口最高气流温度和平均气流温度分别降低2.3%和1%,主喷管总压升高0.44%。而增加小突片的尺寸,对红外抑制效果有所改进,不过总压损失会增大。     

用Tam-Thies湍流模型研究带小突片的喷管流场特性

 首先,采用标准k-ε模型、可实现（realizable）k-ε模型、重正化群（RNG）k-ε模型和Tam-Thies模型4种湍流模型模拟了不同工况下的两种轴对称喷管和带有4片小突片的喷管流场,并将计算结果与实验值进行对比。结果发现：Tam-Thies模型所得出的模拟结果与实验值符合最好。然后,用Tam-Thies模型模拟了小突片后倾角不同的喷管的流场,和没有小突片的喷管的计算结果对比,发现：带有小突片的喷管的尾喷流的核心区长度变短,喷管出口下游气体的混合加剧;而当小突片后倾角增大时,核心区长度先减小后增大;在每个小突片下游产生一对方向相反、强度相同的流向涡,当小突片后倾角增大时,流向涡强度呈现出先增大后减小的趋势,而喷管的引射系数增益和推力损失系数都逐渐减小。     

辅助进气激励器强化喷流混合的数值模拟

对采用高动量的辅助进气激励器和“常规”激励器强化的高速、大尺度喷流混合进行了数值模拟研究。对比了辅助进气激励器和“常规”激励器吹气射流对流向涡、喷流拍动、阻塞面积的影响,分析了合成射流强化喷流混合的流动滞后现象。结果表明:合成射流强化喷流混合中的辅助进气激励器在吹气时间、吹气动量、峰值动量比方面要明显优于“常规”激励器。合成射流强化喷流混合由激励器迟滞和流场迟滞两部分组成。“常规”激励器和辅助进气激励器射流峰值动量都滞后于活塞峰值速度时刻19.5%，流场滞后峰值动量时刻5%左右。相比于“常规”激励器,采用辅助进气激励器的“小突片”堵塞面积较大,强化喷流混合的效果更好。      

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

涡激励突片射流冲击冷却的数值研究和试验验证

运用数值计算方法研究带涡激励突片的单排圆形射流冲击冷却特性,同时对数值计算结果进行试验验证。研究表明,与无突片的圆形射流以及不倾斜的突片相比,三角形突片相对于主流倾斜45°和135°能较好地改善冲击区的换热。由于流向涡的存在,有突片射流的流向速度等值线呈现瓣状分布,且随着流向距离的加大逐渐扩散,直至消失。计算与实验结果吻合。     

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。     

波瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统性能影响

在保证波瓣强迫混合排气系统内外涵流道面积不变的情况下,建立了某型涡扇发动机不同波瓣高宽比波瓣强迫混合排气系统的几何模型,基于Navier-Stokes方程进行了数值模拟研究,得到了波瓣强迫混合排气系统中,在涵道比和内外涵面积不变的条件下,波瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数和推力系数的影响规律.结果表明:当涵道比不变时,在波瓣高宽比为2~4.5的变化范围内,在排气系统出口处,混合效率随波瓣高宽比的增加呈现出增大-减小-增大的趋势,其中波瓣高宽比为3和3.21分别为曲线的两个拐点.而随着波瓣高宽比的增加,总压恢复系数、推力系数均不断减小.      

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.      

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.0034,而相对推力下降了0.081.      

涡扇排气系统结构参数对排气声压级影响

基于三维CFD和宽带噪声模型,对不同结构的涡扇排气系统流场和出口声压场分布展开数值计算与分析,获得涵道比、波瓣强迫混合器穿透比和混合段长径比对排气出口声压级的影响规律。数值结果表明:排气系统出口声压级分布与径向速度梯度相对大小分布一致,排气出口速度梯度的减小可以降低排气噪声。涵道比在0.5～3.0,长径比在1～2之间,排气系统涵道比和排气混合段长径比的增加可以降低喷管出口平均噪声声压级;在相同涵道比下,波瓣强迫混合器穿透比的增加,出口平均噪声声压级先大幅减小后缓慢增加。     

尾缘锯齿修形对波瓣强迫混合排气系统性能影响

针对某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统建立了尾缘锯齿修形流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了不同尾缘锯齿修形波瓣强迫混合排气系统流场的演变规律和热混合效率、总压恢复系数的变化规律.结果表明:在强迫混合排气系统出口截面处,热混合效率随修形量的增加而增大,总压恢复系数随修形量的增加而减少.1个三角形(1-SJ)锯齿修形模型的热混合效率最大,达到79.73%;2个梯形修形(2-TX)的综合效果最优,其热混合效率达到77.50%,总压恢复系数比1-SJ高出0.5%.      

波瓣数对波瓣强迫混合排气系统性能影响

建立了不同波瓣数的某涡扇发动机波瓣混合排气系统的几何模型和数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了在波瓣强迫混合排气中不同波瓣数对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:在波瓣数8～24范围内,在波瓣尾缘处,流向涡无量纲平均涡量随波瓣数的增加而增大;在混合排气系统出口截面处,热混合效率随波瓣数的增加而减小,总压恢复系数随波瓣数的增加先增大后减小再增大.      

漏斗形混合器对涡扇发动机推力和红外辐射特征的影响

计算了漏斗形混合器排气系统的流场、推力系数和红外辐射特征,并与环形混合器进行对比.流场特征采用Fluent商业软件计算,红外辐射特征采用反向蒙特卡罗法计算,分析了漏斗形混合器对排气系统推力系数及红外辐射特征的影响.结果表明:①采用漏斗形混合器有助于外涵低温空气注入内涵高温燃气流,排气系统横截面上温度场呈现菊花瓣形分布.②采用漏斗形混合器后,排气系统推力系数下降0.2%.③采用漏斗形混合器后,排气系统尾喷流的红外辐射在喷管后端都减小,在90°探测角最大减小44.6%,但在大的探测角时排气系统壁面的红外辐射会略微增加.      

瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统性能影响

以某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,在波瓣数以及波瓣长度不变的情况下,分别固定波瓣宽度改变波瓣高度和固定波瓣高度改变波瓣宽度,得到了一系列不同波瓣高宽比的几何模型,并对其进行了三维数值模拟研究,获得了不同高宽比对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:在混合器出口处,当高宽比在2~5范围内变化时,热混合效率在波瓣宽度和高度分别不变时,随高宽比的增加,分别呈现出不断增大以及不断减小的趋势;当宽度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而减小,当高度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而增大.      

圆排波瓣弯曲混合管引射实验与数值模拟

将圆排波瓣喷管配以不同的弯曲混合管组成引射混合器 ,实验研究了弯曲混合管的几何参数 ,试验结果表明 :当弯曲角β=40°时 ,弯曲混合管的引射流量比φ与同样直径的圆柱混合管相当 ;当β>40°时 ,弯曲混合管的引射流量比φ相比于同样直径的圆柱混合管有较大的下降 ,φ随β的增加下降很快 ;φ随混合管截面比λ的增加先增大后下降 ,虽然峰值小于圆柱混合管的最大引射流量比 ,但是峰值对应的值却近似等同于圆柱混合管的截面比 ;φ随次流进口截面比 σ的增加而接近线性增大。进行了 1 /2的 1 2波瓣喷管弯曲混合管引射混合器的 3 D不可压流流场的数值模拟 ,模拟结果表明 :当 β>40°时 ,弯曲混合管引射流量比 φ下降的主要原因是弯曲混合管转弯部分由于主流射流冲击 ,静压力较高 ,从而弯曲部分附近的有效流通截面积减小 ,严重影响了次流的出流。另外 ,计算的壁面静压系数与测量值符合良好