涡扇发动机菊花型排气混合器的初步选型试验研究

在常压、低速排气引射条件下,以环型混合器为基准,对五个不同的菊花型混合器进行了冷态对比试验,研究了菊花瓣出口角度、菊花瓣穿透率、相对混合长度和内外涵气流速度比等对菊花型混合器气动性能(包括排气噪声特性)的影响。试验表明,虽然不能对实际发动机菊花型排气混合器的气动性能给出确切的定量数据,但是能定性地判断各个混合器的优劣,即菊花型排气混合器排气的综合气动性能明显优于环型混合器,12个菊花瓣、穿透率为0.76、菊花瓣出口角α/β=15°/25°的菊花型混合器在0.8左右的相对混合长度下应是初选的最佳结构方案。     

椭圆形切扇修形对波瓣混合器掺混性能影响

在保证面积不变的情况下,选取不同的长轴、短轴,对波瓣混合器进行椭圆形切扇修形,研究切口深度与宽度对波瓣混合器掺混性能的影响规律。使用商用 CFD 软件对流场进行数值模拟。结果显示,对波瓣侧壁进行切扇处理会加强流向涡的强度,切扇越深,流向涡强度越大;切扇波瓣流向涡的耗散速率要大于基准波瓣混合器的流向涡耗散速率,预示着更为高效的掺混;引射系数与切口深度成正比,而总压恢复系数与切口深度成反比。考察了两种衡量热混合效率的模型并对其信度进行了比较,发现在 x =0.4 m 之前切扇可以提高热混合效率,而在 x =0.4 m 之后,基准波瓣混合器热混合效率要大于切扇波瓣混合器。     

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.      

波瓣混合器流场试验

为了获得加力燃烧室波瓣混合器内的三维流场,采用带热电偶的五孔探针对波瓣混合器内的流场进行了测量.通过试验,得到了波瓣混合器出口不同截面的速度场和温度场,以及波瓣混合器沿流向的热混合效率、总压恢复系数变化规律.试验结果表明:在波瓣混合器尾缘处会产生一对相互逆转的流向涡,流向涡的产生加强了内、外涵气流的对流混合;越靠近波瓣混合器尾缘,内、外涵掺混能力越强,热混合效率增加速度越快,总压恢复系数下降也越快.     

后缘切角对波瓣混合器性能影响

建立了某实用的后缘切角波瓣混合器流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了波瓣后缘切角的角度值对于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:后缘切角在2.5°至15°之间变化时,热混合效率随切角角度的增大而增大,总压恢复系数随切角角度的增大而减小;后缘切角在15°至60°之间变化时,热混合效率随切角角度的增大而减小,总压恢复系数随切角角度的增大而增大.      

波瓣强迫混合器流动规律初步分析

介绍了一种带波瓣型强迫混合器的加力扩压器流场试验情况。通过实例测以及对特征面上的混合边界（最大温度梯度位置）分析,得出了混合效率和与混合器结构（几何形状）紧密相关而基本不随气动工况变化而变化的重要结论。同时由定义的冷热态气流的旋转量判定,内外涵气流间的传热影响可能是数值计算必须计入的重要因素。     

微混合器内混合过程的数值模拟

对一个双向进口的微型圆柱混合器的混合过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对照.结果表明,该微混合器没有设置专门的扰流装置,仅采用两侧切向进流体,两种流体在混合器内产生了较好的混合效果.研究表明,混合效果并不是随着雷诺数增大而增强,只有在雷诺数小于90的范围内,才能够得到均匀的混合效果.      

加力燃烧室用锯齿冠状混合器混合特性数值研究

通过三维计算流体动力学(CFD)数值计算,研究了加力燃烧室中三种不同型式的锯齿冠状混合器及环形混合器的掺混性能.结果表明:①锯齿冠状混合器下游形成了流向涡阵列,锯齿布置和倾角对其尺度和强度有较大的影响;②相邻锯齿交错布置的锯齿冠混合器的强化掺混效果最为显著且流动损失相对较低,总压恢复系数相对环形混合器降低在0.2%以内...     

带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响

针对波瓣混合器进行了一系列的数值计算和模型实验研究,揭示了带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响.实验结果表明:混合管长径比小于2时,带拐弯混合管会造成高温气流在出口截面呈月牙形分布,月牙形包围着一个回流区,该回流现象对引射性能不利,计算结果则验证了该气流分布,认为带拐弯混合管降低了波瓣混合器的引射效率,为改善其引射性能,应该加长混合管使得混合管的长径比大于等于2.计算结果还发现了波瓣混合器的最佳长径比为2,且该值不随面积比变化,和最佳长径比为6的圆管混合器相比,波瓣混合器可以有效缩短混合管的长度.另外,进一步给出了引射比与长径比的拟合关系式.      

微混合器内混合过程的研究

微流体控制系统由于其尺寸微小、控制精度高、响应速度快、易于小型化和自动化、效率高等特点,它的发展和完善为航空航天、医学实验以及化学化工过程的测试提供强有力的技术平台。在微尺度范围内,表面积与体积的比例大于1,表面张力与粘性力占有主要地位,混合过程主要靠分子扩散,过程进行的较慢,因此,微混合腔一般都加工出一些扰流装置,对流体产生机械扰动作用,从而在短时间内达到较好的混合效果。本文对一个双向进口的微型圆柱混合器的混合过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对照。结果表明,微混合器没有设置专门的扰流装置,采用两侧切向进流体,在混合器内能够产生强烈的扰动,加剧混合过程。研究表明,混合效果并不是随着雷诺数增大而增强,只有在一定的雷诺数范围内,才能够得到均匀的混合效果。     

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.      

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.      

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%.      

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

一种波瓣混合器超级燃烧室的掺混特性

为了使涡轮基组合循环发动机超级燃烧室的涡扇涵道和冲压涵道两股气流具有高效低阻的掺混特性,设计了一种结构简单的方形波瓣混合器.用数值模拟方法对该方形波瓣混合器与常规混合器进行了比较分析,结果表明方形波瓣混合器具有与菊花型波瓣混合器相似的流向涡高效低阻掺混特性.进行混合器结构参数变化对掺混特性的影响研究发现扩张角对方形波瓣混合器的热混合效率的影响起主要作用,而出口高度的影响不大;当方形波瓣混合器的波长比为1.0时,方形波瓣混合器具有高效低阻的掺混特性.     

Vortex structures downstream a lobed nozzle/mixer

An experimental study was conducted to investigate the evolutions of unsteady vortex structures downstream a lobed mixer/nozzle.Anovel dual-plane stereoscopic PIVsystem was used to measure all 3-components of vorticity distributions to revealed both the large-scale streamwise vortices produced by the lobed mixer/nozzle and the Kelvin-Helmholtz vortex structures generated due to the Kelvin-Helmholtz instabilities simultaneously and quantitatively for the first time.The instantaneous and the ensemble-averaged vorticity distributions displayed quite different aspects about the evolutions of the unsteady vortex structures.While the ensemble-averaged vorticity distributions indicated the overall effect of the special geometry of the lobed nozzle/mixer on the enhanced mixing process,the instantaneous vorticity distributions elucidated many details about how the enhanced mixing process was conducted.In addition to quantitatively confirming conjectures of previous studies,further insight about the formation,evolution and interaction characteristics of the unsteady vortex structures downstream of the lobed mixer/nozzle were also uncovered quantitatively in the present study.      

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.      

尾缘凹扇及综合修形对波瓣混合器性能影响

建立了某实用的尾缘凹扇和综合修形波瓣混合器流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了尾缘凹扇以及综合修形对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:凹扇修形热混合效率随切除大小的增大而减小,总压恢复系数随切除大小的增大而增加;在所研究的尾缘综合修形模型中,凹扇半切模型混合效率高,总压损失小,综合性能最好.