涡脱位置及温度对涡声效应压力振荡影响

为探索涡-声效应对固体火箭发动机中压力振荡特性的影响,基于VKI (Von Karman Institute for Fluid Dynamics)发动机,通过改变挡板位置与燃气温度,对旋涡脱落引起的压力振荡进行了大涡模拟数值研究.耦合分析表明:挡板位于速度波腹附近,压力振荡最为严重;旋涡能量在输运过程中易于被湍流耗散,靠近喷管的二阶速度波腹处旋涡脱落压力振幅明显高于其它位置.解耦分析表明:温度对旋涡脱落频率影响不大,当旋涡脱落频率与声振频率分离后,压力振幅显著下降.     

潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性影响

为了揭示潜入式喷管对固体火箭发动机工作稳定性的影响,基于VKI(Von Karman Institute for Fluid Dynamics)模型发动机,利用大涡模拟数值方法与脉冲衰减法,计算分析了潜入式喷管对涡声耦合特性及喷管阻尼的影响。结果表明:在存在障碍物旋涡脱落的条件下,潜入式空腔能够加剧涡声耦合强度,继而诱发明显的压力振荡,含有潜入式空腔模型内的压力振幅是不含潜入式空腔模型下的4倍左右;潜入式喷管削弱了发动机的阻尼特性,无潜入式空腔的喷管阻尼比含潜入式空腔的喷管阻尼提高了8.6%左右,而且喷管阻尼随着潜入式空腔体积的增大基本呈线性减小趋势。潜入式喷管一般而言不利于发动机工作稳定性。     

突扩燃烧室低频压力振荡的大涡模拟

振荡燃烧是冲压发动机研制过程中面临的严峻问题,而振荡燃烧与涡运动规律密切相关,文中用大涡模拟的方法对突扩燃烧室冷态流动条件下的涡运动和低频压力振荡进行了模拟,并在此基础上得出了影响振荡频率和幅值的因素。     

侧面突扩燃烧室冷态流场可视化研究

燃烧室流场中旋涡的不是稳定是造成整体式压式发动机侧面扩燃烧室燃烧振荡的重要原因。在透明矩形侧面突扩燃烧室模型上进行了水流模拟显示实验。显示出了燃烧室流场中的振荡涡系和稳定涡系。实验发现：燃烧室头部旋涡非常稳定；进口射流剪切层存在“马蹄涡”的周期性脱落；射流在燃烧室通道内卷绕形成涡强较大的二次流螺旋柱状涡对，涡对相撞又使螺旋涡失稳、振荡和破碎。旋涡不稳定性是侧面突扩燃烧室燃烧振荡的流体力学原因，分流     

模型固体火箭发动机内涡脱落过程的大涡模拟

为研究后向台阶结构引起的涡脱落对固体火箭发动机内流动稳定性的影响，采用大涡模拟技术，对模型发动机内的流动进行了数值模拟，获取了发动机燃烧室内压强随时间的变化曲线及其振荡频率，并和已有的计算结果及实验结果进行了对比分析。结果表明采用LES方法的计算结果明显优于采用k-ε湍流模型的计算结果；不考虑燃烧时模型发动机内由涡脱落引起的压强振荡的振幅较小，但频率较高，且随来流速度的增加而增大；在后向台阶这种结构中，涡一般会在台阶的边沿形成，并在其下游周期性地脱落；在保证y^＋较小的情况下，网格大小对计算结果的影响不明显。     

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.      

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

分段式固体火箭发动机内部流动不稳定性数值分析

采用大涡模拟技术,针对某分段式固体火箭发动机开展了发动机燃面退移0mm,160mm和280mm三个时刻下发动机燃烧室内部流动不稳定现象的数值分析,获得了三个典型时刻燃烧室内压强可能的振荡特性.计算结果表明,在发动机点火初期燃烧室内流动不稳定性主要由表面涡脱落导致;随着燃面的退移,端面限燃层暴露在燃气中,由于端面包覆结构残余的影响,燃烧室内流动不稳定性主要由障碍涡脱落决定,且与点火初期相比,压强振荡的频率逐步减小.     

螺旋形强制谐波振荡对涡破碎位置的影响

本文用非线性波理论分析并计算了螺旋形振荡对涡破碎位置的影响,并在旋涡发生器中进行了施加不同频率的振荡对涡破碎位置影响的实验。实验与计算结果的趋势基本一致。     

喷前压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响

为研究液体火箭发动机供应系统压力脉动对撞击式喷嘴雾化特性的影响,进行了撞击式喷嘴的动态雾化实验。通过脉动装置在喷嘴供应系统上施加不同频率和幅值的周期性压力脉动,利用两套高速摄影系统分别获得了动态雾化图像和雾场横截面上的散射光强,以此分析了撞击式喷嘴对喷前周期性压力脉动的响应频率和响应幅值范围及其对平均雾化角度的影响。结果表明,在研究的脉动频率范围内(0~4050Hz),当喷前压力脉动幅值大于某一阈值后,雾化出现了明显的周期性质量聚集现象,其频率与喷前压力脉动的频率相同。脉动幅值增加,散射光强度的振荡幅值也增加,参与混合燃烧过程的介质流量振荡幅值加剧。平均雾化角度受脉动频率和幅值的影响都较小,变化范围处在均值的±4%以内。     

Influence of thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations

Vortex-acoustic coupling is one of the most important potential sources of combustion instability in solid rocket motors (SRMs). Based on the Von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) experimental motor, the influence of the thermal inhibitor position and temperature on vortex-shedding-driven pressure oscillations is numerically studied via the large eddy simulation (LES) method. The simulation results demonstrate that vortex shedding is a periodic process and its accurate frequency can be numerically obtained. Acoustic modes could be easily excited by vortex shedding. The vortex shedding frequency and second acoustic frequency dominate the pressure oscillation characteristics in the chamber. Thermal inhibitor position and gas temperature have little effect on vortex shedding frequency, but have great impact on pressure oscillation amplitude. Pressure amplitude is much higher when the thermal inhibitor locates at the acoustic velocity anti-nodes. The farther the thermal inhibitor is to the nozzle head, the more vortex energy would be dissipated by the turbulence. Therefore, the vortex shedding amplitude at the second acoustic velocity antinode near 3/4L (L is chamber length) is larger than those of others. Besides, the natural acoustic frequencies increase with the gas temperature. As the vortex shedding frequency departs from the natural acoustic frequency, the vortex-acoustic feedback loop is decoupled. Consequently, both the vortex shedding and acoustic amplitudes decrease rapidly.     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题，通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析，获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明，随着当量比增加，火焰形态发生变化，燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现，漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理，耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小，火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。     

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

Low-frequency unsteadiness of vortex wakes over slender bodies at high angle of attack

A type of flow unsteadiness with low frequencies and large amplitude was investigated experimentally for vortex wakes around an ogive-tangent cylinder. The experiments were carried out at angles of attack of 60–80 and subcritical Reynolds numbers of 0.6–1.8×105. The reduced frequencies of the unsteadiness are between 0.038 and 0.072, much less than the frequency of Karman vortex shedding. The unsteady flow induces large fluctuations of sectional side forces. The results of pressure measurements and particle image velocimetry indicate that the flow unsteadiness comes from periodic oscillation of the vortex wakes over the slender body. The time-averaged vortex patterns over the slender body are asymmetric, whose orientation is dependent on azimuthal locations of tip perturbations. Therefore, the vortex oscillation is a type of unsteady oscillation around a time-averaged asymmetric vortex structure.     

Evaluation of pressure oscillations by a laboratory motor

Aeroacoustic pressure oscillation is one of the important challenges in segmented solid rocket motors with high slenderness ratio. The reason for these oscillations can be searched in vortex shedding due to grain burning surfaces, holes and slots. In this paper, a novel sub-scaled motor was used for evaluation of aeroacoustic pressure oscillations. First, the related parameters to scale down using Buckingham’s Pi-theorem were determined and then the sub-scaled motor was designed and manufactured. After this, Strouhal number in various grain forms and vortex shedding prediction criteria have been discussed. Then, one-dimensional linear and non-linear solution approaches have been presented. To understand the motor internal flow and vortex shedding formation, steady state computational fluid dynamic performed for seven regression steps and finally, two static tests have been performed. Results show that various definitions for Strouhal number are useful only for primarily glance on vortex shedding and pressure oscillations and so CFD solution and the test program are inevitable for a correct understanding of the ballistic operational condition of the motor. Experimental results demonstrated the existence of such oscillations with frequencies nearly equal to axial modes. It seems that non-linear parameters have small effects on aeroacoustic pressure oscillation and therefore the linear solution is acceptable to obtain approximate data. Of course, it should be emphasized that linear solution represents oscillations on overall motor action time, whereas the output of non-linear solution depends on thermochemistry properties of solid propellant and combustion products. Therefore, with a non-linear solution, oscillations maybe occur in some intervals of action time. FFT (Fast Fourier Transformation) results demonstrated that although both first and second acoustic modes have been excited, the position of longitudinal oscillation has an important role on which one is dominant.     

声激励增升效应研究

二元后台阶低速风洞实验表明,用内部声激励控制脱落旋涡能够获得有利的增升效应。实验还得出激励频率、旋涡自然脱落主频及旋涡脱落主频之间的关系;并给出了模型表面压力随声压级及频率变化的规律。本文将对二元翼型及三角翼等内部声激励的应用研究提供有价值的实验结果。     

轴流压气机非定常分离流动耦合控制实验

在一台单级低速轴流压气机试验台上,利用外部声激励,研究控制非定常流动分离的途径.重点考察了激励频率与压气机流场内典型的非定常特征频率的耦合关系以及激励强度、激励信号波形对轴流压气机非定常分离流动控制的影响.实验结果表明:激励频率和激励强度是分离流动控制中较为重要的两个参数,而激励信号波形的变化对分离流动控制也会产生一定影响(相对激励频率、幅值而言较弱).当激励频率为最优频率且幅值达到某一阈值之后,非定常流动分离能够得到有效推迟或抑制,压气机时均气动性能也会大幅度提升,其总压升特性相对值可提高约3.3%.      

边界层厚度对腔体气动声学特性影响数值模拟

为了研究来流边界层厚度对开式腔体气动声学特性的影响,基于分离涡模拟方法,计算了来流马赫数为2.0条件下,不同来流边界层厚度与腔体深度比时,长深比为5.88的腔体流动特性,得到了该腔体声压级的频谱特性.计算结果表明:随着来流边界层厚度增加,形成的剪切层稳定性增强,失稳后上下摆动幅度减少,失稳生成的大尺度涡与超声速主流的相互作用减弱,使得大尺度涡发展到腔体后缘时所具有的平动动能和转动动能降低.大尺度涡撞击腔体后缘在腔体内形成的气动噪声的声压级降低,最大减小幅度达7.5dB.同时各阶模态的频率也发生偏移,偏移值在100Hz左右.基于新的假设重新推导了Rossiter公式,明确了经验常数的物理意义,并以此解释了频率偏移现象.      

三维扩压叶栅非定常流动机理研究的频谱分析

计算了三维直叶栅在不同攻角、不同马赫数下的流动情况,得到流场的非定常解,并进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。分析计算结果表明:在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性。分离区和尾迹中的流动,以旋涡的有规律周期性脱落为主要的运动形式。旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化:同马赫数下,攻角越大,频率越低;同攻角下,马赫数越高,频率越高。同时,在同一工况下,旋涡频率沿叶高呈非均匀分布,叶中区域频率相对低,靠近端壁区频率相对高。      

高声强下多狭缝共振腔的吸声性能

为深入理解高入射声强下多狭缝共振腔吸声机理,采用低频散低耗散的计算气动声学方法对二维多狭缝共振腔开展直接数值模拟研究.首先对标准单狭缝共振腔计算结果进行验证,随后相同的数值模拟方法被应用于相同穿孔率的多狭缝共振腔的数值模拟中.结果显示:高声强下涡脱落对吸声系数的贡献占据了主导地位,各入射频率下均超过68%.多狭缝低频时会导致脱落涡总能量的下降,而高频时升高;而黏性耗散作用随着共振腔狭缝数目的增加而增强.因此综合作用下低频时多狭缝共振腔对吸声效果影响不大,但在高频时多狭缝共振腔有更好的吸声效果.