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.     

固体火箭发动机涡声耦合特性数值研究

为了揭示固体火箭发动机内涡/声耦合机理,以VKI实验发动机为基础,使用大涡模拟方法,对不同温度下障碍物旋涡脱落诱发的振荡流场开展数值研究,获得了燃烧室内速度分布以及压力振荡的频率和幅值,并和实验数据进行了对比。结果表明,旋涡脱落频率与某阶声振频率相等不是涡/声耦合的必要条件;速度幅值对旋涡脱落频率的影响是主要的;平均马赫数对旋涡脱落频率的影响不大,对压力振幅的影响显著。     

Numerical Investigation of the Effects of Wind Tunnel Model Vibrations on the Measured Aerodynamic Properties of Airfoils and Wings

This paper presents a numerical prediction of the unsteady flow field around oscillating airfoils at high angles of attack by solving unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with SST turbulence model in order to simulate the effects of wind tunnel model vibrations on the aerodynamic properties of airfoils,especially high-aspect-ratio wings in a wind tunnel.The effects of the phase lagging between different modes of oscillations,i.e.,the airfoil plunging oscillation mode,the pitching oscillation mode,and the forward-backward oscillation mode,are also studied.It is shown that the vibrations (oscillations) of airfoils can cause the unsteady shedding of large-size separated vortex to precede the stationary stall incidence,hence lead to a stall onset at some earlier (lower) incidence than that in the steady sense.The different phase lagging has different effect on the flow field.When the pitching oscillation mode has small phase lagging behind the plunging oscillation mode,the effect of vibrations is large.Besides,if the amplitude of the oscillations is large enough,and the different modes of vibrations match or combine appropriately,the unsteady stall may occur 2° earlier in angle of attack than the case where airfoils keep stationary.     

热声耦合振荡燃烧的实验研究与分析

热声耦合振荡是在推进系统工作中经常遇到的危害系统工作及安全的现象。它是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。通过对天然气预混燃烧过程中的热声耦合振荡现象进行了实验研究,分析了不同当量比、热负荷和进出口边界条件下天然气燃烧的动态过程,分析其稳定范围及振荡模态随影响因素的变化规律。结果显示振荡频率随着当量比的减小有所增加,但是没有发生模态变化。在常压条件、接近贫燃熄火极限时,热声耦合振荡现象消失,压力脉动频率跃升至500 Hz或1000 Hz附近的高频。燃烧室出口越接近阻塞条件,燃烧过程的稳定范围越小。同时入口边界位置越接近燃烧段,压力脉动频率越高。热功率变化也会对脉动频率和声压级数值产生影响。另外还采用线性扰动分析方法对天然气燃烧动态过程进行理论分析,进一步研究了不同条件下旋流预混燃烧的热声耦合振荡模态。     

扩压式叶栅非定常分离流机理研究的频谱分析

二维亚音压气机叶栅非定常分离流中旋涡脱落频率的定性研究,采用数值模拟的方法,通过九种不同工况下流场中多点总压值的快速傅立叶分析,初步提出了区分数值振荡和真实物理振荡的判据,同时得到了这九种工况下非定常分离流中旋涡脱落频率的数值模拟结果。证实在非设计工况下,二维亚音压气机叶栅叶背区出现了较大尺度的开式非定常分离,分离区自身及分离流影响的尾迹区的主要运动形式可能是周期性的旋涡脱落。      

某固体火箭发动机工作末期不稳定燃烧

针对某固体火箭发动机工作末期出现的压力振荡现象开展了数值研究与线性预估.通过有限元方法得到了燃烧室空腔的声模态及固有声振频率,轴向1阶与2阶声振频率随燃面退移先减小后增大;利用大涡模拟方法分析了燃烧室内的流场特性及压力振荡特性,振荡频率与试验结果一致,判定该发动机出现了以轴向1阶声振频率为主导的不稳定燃烧;其次分析了发动机内阻尼特性,其阻尼随燃面退移不断减小;最后通过不稳定燃烧线性理论解释了该发动机工作末期出现压力振荡的机理,表明燃面退移过程中喉通比下降是导致发动机由线性稳定转向线性不稳定状态的关键因素.      

有声腔推力室的声学振型及其阻尼特性研究

为确定多声学模态压力振荡条件下带有1/4波长管声腔推力室的声学振型及其阻尼特性,揭示1/4波长管声腔对推力室压力振荡的抑制作用机理,对有声腔推力室和无声腔推力室进行近圆周壁面的定容弹激励仿真,激发了多模态的声学振型,给出了推力室压力分布的时空演化,并采用半带宽法定量评价每个激发声学振型的阻尼特性。结果表明：1/4波长管声腔成功抑制了目标振型（一阶切向振型）压力振荡,大幅度减小其幅值,而不是大幅度增加其半带宽,但可能增强其它非目标振型的压力振荡。声腔通过削弱目标振型波峰波谷压力差、声腔入口漩涡和增加壁面面积等三种方式来抑制目标振型压力振荡,主要以前者为主,前者旨在降低目标振型幅值,后两者是增加其半带宽。     

破裂涡流中非定常现象与频率特性实验研究

通过流动显示、表面动态压力测量及热线测量等实验手段,对三角翼破裂涡流中的多种频率成分进行了分析。频谱分析确定了破裂点脉动和螺旋波的频率特征。实验结果表明,螺旋波主频随着弦向位置的增大先是迅速而后平缓减小。前缘涡破裂点振动具有准周期性,在不同的弦向位置上主频大小几乎没有改变,在靠近破裂点的位置有较大的振动能量。实验分析还表明,在破裂涡的流动状态下,虽然没有形成完全分离流,三角翼绕流流场中已经存在涡脱落的现象。     

固体火箭发动机压强调节稳态过程数值模拟

对涡流阀调节固体火箭发动机压强的稳态过程进行了理论研究。采用稳态分析方法，对涡流阀结构参数设计进行了探讨，得出了一些有用的结论。当绝热条件越好时，调节效果更佳。     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

俯仰振荡翼型推阻力转变滞后机制数值研究

扑翼产生的反卡门涡街被认为是一种推力型尾迹,但已有研究指出,随着斯特劳哈尔数(St)增大,低雷诺数下俯仰振荡翼型的净推力产生明显滞后于反卡门涡街的出现。为探究该现象背后的物理机制,对NACA0012翼型在雷诺数1000条件下作简谐俯仰运动的流场进行了数值模拟。采用翼型表面积分方法和基于有限控制体的气动力估计方法分别研究了翼面分布力特性和尾迹流场特性变化对阻力-推力转变临界点的影响。翼面分布力积分结果表明,当翼型振荡参数进入对应反卡门涡街尾迹形态区域时,翼面压力分布产生的推力分量无法克服剪切层的黏滞阻力,是造成俯仰翼型推力产生滞后于反卡门涡街出现的主要原因。对尾迹流场及相应的推阻力特性变化的分析表明,尽管反卡门涡街会产生“喷流效应”,但在St较小时,其产生的动量诱导推力无法克服反卡门涡自身的涡致阻力和尾迹流场压力损失引入的附加阻力,因此即使存在反卡门涡街也不能产生净推力,进而从流场分析的角度进一步解释了这一滞后现象的发生机制。     

气动声学相似理论与试验研究

本文研究了气动声学的一般性相似原理,为气动声学的模型实验研究方法建立理论基础。由此得到了四个关于气动声场相似的相似准则数,导出了适合于流动分析的相似条件。对非定常流动中所产生的脉动力谱进行的相似分析,证实当气动力学完全相似时,以Strouhal数作为无量纲频率参数的脉动力谱函数也完全相似,此时,在几何相似点上测得的声谱在以St数作为频率坐标的频谱图上完全相同。风扇噪声的试验证实了气动声学的相似律。      

双脉冲固体火箭发动机压强振荡特性研究

为了研究隔舱消融对双脉冲发动机中燃烧室的压强振荡影响规律,选择隔舱消融几个典型时刻进行研究,运用大涡模拟(LES)方法,对Ⅱ脉冲工作时的发动机流场稳定性进行数值模拟.最后得到了各工况下的压强时间曲线及其快速傅氏变换(FFT)结果.分析表明:由于Ⅱ脉冲工作初期隔舱暴露在流场中产生额外扰动,以及隔舱级间通道形成狭窄通道的加速作用,是导致边界层分离而引起障碍涡脱落的主要因素.点火初期,双脉冲发动机易发生轻微压强振荡.随隔舱消融,整个流场在发动机工作中、后期逐渐趋于平稳.      

具有气液同轴喷嘴的液体火箭发动机燃烧室压力振荡及其声学特性研究

为探究液氧/煤油液体火箭发动机气液同轴喷嘴模型燃烧室具有良好稳定性的原因,采用非稳态雷诺平均（URANS）方法数值研究了其燃烧不稳定性和声学特征。两相燃烧条件下,燃烧室压力振荡幅值约为室压的10%左右、最大不超过25%,且以纵向和横向振型为主。一周六径隔板对横向振型具有很强的抑制作用,但对纵向振型影响较小。与液-液撞击式液氧/煤油发动机模型燃烧室相比,本文研究的燃烧室中煤油液滴没有发生超临界蒸发现象,第三邓克尔数较小,诱发燃烧不稳定性的激励源较弱。进一步通过数值定容弹激发了燃烧室多模态声学特征压力振荡,并得到了其振荡特征频率、幅值和衰减率。结果表明,气喷嘴具有四分之一波长喷嘴特征,能显著减小目标振型的幅值,而集气腔对纵向振型具有很强的抑制作用,同时对其他振型也有程度不同的抑制效果。因此,较弱的燃烧不稳定性激发机制以及隔板、气喷嘴和集气腔对纵向和横向振型很强的抑制作用,使得该液氧/煤油发动机气液同轴燃烧室具有很好的稳定性。     

点火发动机点火喷流传播过程分析

点火发动机点火喷流沿药柱通道传播过程是一个非常典型的非稳态流固耦合问题。采用流固耦合模拟方法对点火瞬态药柱通道内的流场以及在流场作用下药柱的结构完整性进行流固耦合分析,确定药柱通道各点压力上升产生的原因以及该过程中装药的应力应变情况。仿真结果表明在点火喷流沿药柱通道传播过程中,将出现超压较大的激波结构,造成装药通道内不同位置处出现程度不同的压力振荡;在激波向尾部传播阶段,药柱的应力传播落后于激波传播;在激波的反射阶段,药柱最大应力位于尾部翼槽底部区域。     

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.     

机翼尾迹脱落涡噪声的理论研究

Ｍｉｃｈｅｌ等人１９９８年应用平面传声器阵列对飞机过顶噪声进行的测量研究首次发现，机翼尾迹脱落涡噪声是某些类型飞机重要的噪声源。为发展一种预测这种噪声源的理论预测模型，应用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ涡街模型模拟二维机翼下游尾迹脱落涡，尾迹涡的强度和脱落频率应用这个模型进行计算。基于Ｈｏｗｅ后缘噪声理论，并结合尾迹模型，本文发展了一种预测脱落涡噪声声压级和指向特征的气动声学模型。对６架现代商用飞机的机翼尾迹脱落涡噪声的计算表明，本文理论模型预测的涡脱落频率、声压级以及噪声的指向性等与实验测量结果有较好的一致性。     

压气机叶顶泄漏流振荡周向传播特性的数值模拟

通过对一低速轴流压气机转子的叶顶泄漏流的振荡特性进行数值研究,发现在大流量工况下,叶顶流场随时间不发生变化.随着流量减小,叶顶流场逐渐产生脉动,同时叶顶泄漏流发生周期性振荡,表现为叶顶泄漏涡的产生位置、涡结构形态及撞击在相邻叶片的位置随时间发生变化.叶顶泄漏涡及其导致的脱离涡会导致相邻叶片表面产生低压区,因此叶顶泄漏涡的振荡导致了叶片顶部压力分布的脉动,进而影响了相邻流道叶顶泄漏流的产生.这个叶顶泄漏流与相邻叶片的干涉作用是叶顶流场产生振荡的主要原因.而且,叶顶泄漏流在相邻流道间的振荡状态存在相位延迟,这导致了一个以非叶片数为周期的流动扰动结构绕转子旋转.      

固体火箭发动机前、后翼药柱三维有限元分析

应用PRO／ENGINEER、I－DEAS软件构造药柱三维几何模型，利用视算技术和方法对药柱几何模型进行处理，建立药柱三维有限元模型，对药柱受固化降温、轴向飞行过载、工作内压载荷作用下的应力应变及位移完成了三维线弹性有限元分析计算，进行了图形后处理，得到了合理的结果。为大型固体火箭发动机药柱结构完整性分析提供了更为准确合理的理论依据。