突片射流冲击冷却换热特性的实验

对涡激励突片的单排圆形射流冲击冷却特性进行了实验研究.主要对突片堵塞比、突片形状和突片安装角度对冲击换热特性的影响进行了实验研究, 并揭示了其影响规律.研究结果表明:在研究的参数范围内, 突片的几何形状及安装角对射流冲击换热有较显著的影响, 并根据其影响规律, 对突片的结构设计提出了有价值的参考意见.      

非稳态单喷口射流控制扩压器内边界层的分离流动

对扩压器内单喷口射流产生的流向涡控制扩压器内部边界层分离流动行为进行了研究。研究的对象是一个扩张角为10°的二维扩压器,扩压器进出口面积比为1∶4.7,入口高度为15 mm。采用数值计算方法研究了当射流出口速度为非稳态时对分离流动的影响。给出了不同时刻,不同截面上的旋涡涡量分布。结果表明,采用非稳态喷射流向涡方法可以在不改变主流流量特性的情况下,有效地减小分离流动区域。     

单排突片激励热射流作用下楔形凹腔表面对流换热研究

为了改善发动机整流支板凹腔防冰结构热气射流冲击换热效果,在常规圆形射流孔上采取了突片激励,通过三维内外流耦合数值模拟的方法研究了突片数量、突片穿透比(l/d)以及射流冲击间距(H/d)对楔形凹腔表面换热的影响。研究结果表明:突片能够提高射流核心区的速度和湍流动能,使得冲击换热效果增强;相对于圆形射流孔,4-tabs,6-tabs和8-tabs所对应的的楔形凹腔表面温度和Nu数分别提高了1.2K,2.3K,2.8K和17%,28%,33%;凹腔表面温度随着突片穿透比的增大而有所提高;射流冲击间距(H/d)对凹腔内部对流换热有很大的影响,无突片激励作用时,H/d=6的凹腔表面最高温度和Nu数比H/d=12提高了7.2K和67%;在突片激励作用下,H/d=6时的凹腔表面最高温度和Nu数分别比H/d=12时提高了8.5K和90%。突片数量和突片穿透比的增大都会引起次流总压损失的增加。     

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。     

冠齿喷管射流冲击半圆形靶面的对流换热

针对具有相同相对曲率（d/D=0.1）的凹形和凸形半圆柱靶面,在典型的雷诺数（Re=5 000~12 000）和无因次冲击距离（H/d=1~8）下进行了射流冲击对流换热的实验研究,同时在特定的射流雷诺数下进行了射流冲击大涡模拟分析,以揭示冠齿喷管在不同形状靶面上的强化传热作用机制。研究结果表明：射流喷管和靶面形状对于射流驻点附近的流场和对流换热具有显著的影响,冠齿喷管出口诱导的流向涡改变了圆形射流发展中的轴对称环形涡内在特征,无论是凹形还是凸形靶面,冠齿喷管相对于圆形喷管都体现出一定的强化射流传热效果;与凸形靶面相比,射流冲击凹形靶面受到凹腔内部的回流影响,导致冠齿喷管射流冲击对流换热的降低。     

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。     

进口预旋条件下波瓣混合器强制掺混机理

以波瓣混合器为研究对象,通过试验和数值计算的方法研究了其强制射流掺混的机理及进口预旋对射流掺混的作用机制.结果表明:κ-ωSST模型能较好地模拟波瓣射流掺混过程;波瓣贯穿区径向压力梯度所诱导的大尺度流向涡在射流掺混过程中起支配作用;与轴向进气工况相比,进口预旋导致附加流向涡对及中心锥下游回流区的形成,强化了射流涡系间相互作用,加速了射流掺混过程.     

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法 (DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。     

亚声速等膨胀方管射流轴置换现象的数值研究

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度WENO/TCD混合格式,对Ma=0.6的亚声速等膨胀方管射流的初始流场进行了数值研究。数值结果清晰地描述了初始主涡环的形成与三维演变过程。方管射流具有平面管与圆管射流的一般流场特征,但方管周向曲率的不一致导致轴向流动速度不均匀,使方形主涡环出现复杂的Biot-Savart自诱导变形,并在方形涡环截面上诱导形成4对反向流向涡对。在主涡环的Biot-Savart自诱导变形与流向涡对的诱导速度共同作用下致使主涡环截面形状相对于初始时旋转45°,完成轴置换。另外,在亚声速等膨胀射流中,流向涡对的诱导速度在轴置换中占主要作用。     

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

气膜孔内置扰动条作用下的射流-横流流场

为改善气膜冷却效率,提出了在倾斜气膜孔前缘内置扰动条的结构。通过与典型的圆柱形气膜孔流场的对比研究,总结出内置扰动条对流场的影响规律。研究结果表明,在射流-横流流场中,内置扰动条减小了射流向主流的穿透,使反向旋转涡对向壁面靠拢,穿透顶点下移;扰动条使下游反向涡对的强度增大;随着吹风比的增大,气膜孔下游同一位置处的流向涡强度增大,这一方面增加了主次流的相互掺混,另一方面也增大了流体沿展向的相互掺混。     

半封闭通道射流冲击孔流量系数的实验

对半封闭通道射流冲击孔的流量系数进行了实验研究,针对单排、双排冲击孔结构,在变化各种几何参数及流动参数的情况下,较为系统地获得了射流孔展向间距与射流孔直径之比、射流孔流向间距与射流孔直径之比、射流冲击间距与射流孔直径之比、射流孔倾角等因素对于流量系数随射流雷诺数的变化曲线.通过对比分析,讨论了各种因素对流量系数的影响.      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

冲击凹柱面靶板的流场结构实验

采用烟线法研究了冲击凹柱面靶板的流场结构。研究中改变冲击雷诺数Re,冲击距-冲击孔直径比H/d以及冲击靶面相对曲率d/D等参数,利用数码摄像机拍摄流场结构随这些参数的变化规律。研究结果表明:上述参数均影响了冲击凹柱面靶板的流场结构,而且影响规律表现出较强的关联性。实验中,随冲击雷诺数Re的增加或冲击距-冲击孔直径比H/d的减小,在冲击滞止区域两侧形成的稳定旋流结构与冲击靶板分离处的圆心角增大,分离推迟;同时在实验中发现冲击靶板的曲率半径和冲击导管直径之间存在一定的匹配关系(d/D)使流体沿壁面运动的距离最长。     

冠齿脉冲射流冲击平直靶板对流换热实验

采用红外热像测试技术对占空比（DC）恒定为0.5的冠齿脉冲射流冲击平直靶面，在不同雷诺数（5 000～20 000）、无量纲冲击间距（2～8）和工作频率（10～25 Hz）下进行了对流换热实验研究。结果表明：在小射流冲击间距下，冠齿脉冲射流冲击局部努塞尔数云图在射流驻点附近呈现较为明显波瓣状分布；冠齿喷管在脉冲射流冲击中依然体现出强化对流换热的作用机制，雷诺数和工作频率分别为10 000和15 Hz工况下，射流冲击驻点附近的表面传热系数相对圆形脉冲射流提高幅度在20%～30%之间；在冠齿脉冲射流中，脉冲主动激励和冠齿被动诱导激励之间存在着内在的相干机制，导致其对流换热特性与冠齿连续射流和圆形脉冲射流有较大的差异。     

进气横流对前缘冲击流量系数的影响

对靶面为圆弧面的单孔前缘冲击流量系数进行了实验测量,通过改变进气横流和单孔射流间的速比大小来模拟一排冲击孔中各孔实际所感受横流的不同。研究了孔雷诺数和进气横流速比对流量系数的影响,孔雷诺数范围:1.5×104~4.0×104,横流速比范围:0~0.3。结果显示冲击孔流量系数随孔雷诺数的增大而增大,最大增幅7%左右;随横流速比的增大而线性减小,最大减幅15%左右。由实验数据得到了冲击孔流量系数分别与孔雷诺数和横流速比的经验关系式。     

射流中速度和温度的脉动关联及耗散规律

本文采用X热线-冷线组合探头及全速度偏航角标定法,对非等温圆形射流中的脉动关联量以及脉动量的耗散规律进行了实测和分析。得到了Reynolds应力、脉动热通量和Prandtl数的分布。对耗散率的测量结果证实了由满足自模条件导出的Taylor微尺度和湍动能耗散率在中心线上的变化关系是成立的,并且推导了中心线上湍流温度耗散率的表达式。本文的研究还表明,以往模拟计算中,将脉动温度场的时间尺度与脉动速度场的时间尺度之比取为常数的假定是缺乏实验依据的。