多级波瓣引射混合器气动性能数值研究

通过三维CFD计算,研究了在特定混合管长径比和截面比下,单、双级波瓣引射混合器性能随基本结构参数变化的规律和差异.研究结果表明:双级波瓣引射混合器的引射系数随波瓣扩张角和主流速度的增加而增加,双级波瓣引射混合器的第1级引射系数要高于单级波瓣引射混合器,且总引射系数比单级波瓣引射混合器高出100%;主流流速增加,流向涡强度和速度环量相应增大;单级波瓣引射混合器沿程流向涡峰值强度不断减弱,但速度环量先增加后减小;双级波瓣引射混合器沿程流向涡强度和速度环量则同时逐渐减小,且在1级引射中减小速度要快些;由于主流速度增加或扩张角增大造成的主流过早附壁使得热混合效率减小;尽管双级波瓣引射混合器混合管内热混合效率增加放缓,但与单级波瓣引射混合器相比,混合管出口处热混合效率还是有6%的增加.      

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.      

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。     

微波瓣燃烧器中流向涡混合数值研究

为了检验波瓣喷管下游流向涡能否促进燃烧, 对尺度为毫米量级的微波瓣喷管混合燃烧器中流向涡的行为进行了数值模拟研究.研究发现, 微波瓣喷管燃烧器中远没有微波瓣喷管混合器中非常强烈的流向涡形成和发展, 造成差别的根本原因在于本该形成流向涡的主次气流接触界面变成了燃烧火焰的锋面, 燃烧反应气流体积的急剧膨胀使流向涡环量迅速耗散衰减.另外, 流场计算结果显示在4波瓣和8波瓣微喷管燃烧器中主次流接触初期有较明显的流向涡生成、发展和很快消失, 而在12波瓣微喷管燃烧器中基本没有明显的流向涡形成和发展.但是, 对比模拟表明, 在同样边界条件下12波瓣微喷管混合器中却有非常明显的流向涡的形成和发展.      

波瓣喷管引射-混合器涡结构的数值研究

通过波瓣喷管引射-混合器的流场三维数值计算,得到了流向涡和正交涡产生、衰减的演变以及对混合效率的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射能力和混合效率的内在机理.结果表明:喷管出口流向涡的尺度基本与波瓣的高度相当,流向涡可以诱发主流和次流之间强烈的对流混合,在喷管下游一倍混合管直径的混合距离内强化混合作用显著,随着流向涡向下游发展,涡强衰减迅速;正交涡具有与波瓣尾缘一样的几何外形,在混合管下游,由于主流和次流之间的速度梯度下降,正交涡的强度显著降低,对强化混合的影响不大.     

双级波瓣引射混合器的引射性能

采用实验和数值方法对双级波瓣引射混合器的引射性能进行研究,重点研究混合管在两种不同进口方式下的引射混合器气动特征差异,并初步分析混合管面积比和长径比对双级波瓣引射混合器引射性能的影响.结果表明:混合管进口方式对引射能力有非常重要的影响,在研究的结构参数条件下,对于受限式进口,单级波瓣引射混合器的引射能力要强于双级波瓣引射混合器约10%;而对于敞开式进口,其引射能力要优于受限式进口最大约35%,此时双级波瓣引射混合器的引射能力要略好于单级波瓣引射混合器.在较大的混合管面积比或较小的长径比下,敞开式进口下双级波瓣引射混合器较受限式进口表现尤为优越.      

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.      

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.      

面积比、波瓣张角对多级波瓣喷管性能的影响研究

在11 km高空环境下,对喷管出口马赫数为0.75的2级波瓣喷管内外流场进行数值模拟。通过改变第1级波瓣喷管的引射面积比及第2级波瓣的下张角,分析了2级波瓣喷管的性能变化。结果表明,第1级波瓣的引射效率在第1级引射面积比为1.50时达到峰值;在总引射面积比为3.50时,上张角为15°、下张角为0°的2级波瓣喷管性能较好,其引射系数比单级波瓣喷管的高30%,推力大4%。     

斜切对抑制引射式波瓣喷管内部流动分离的效果研究

 为了了解大扩张波瓣流动分离及其控制方法,对引射式波瓣混合器的扩张角与波瓣内部流动分离的关系进行了研究,得到了引射式波瓣混合器出现分离的临界瓣角,进而提出了对存在流动分离的波瓣喷管进行斜切处理的方法,有效地抑制了引射式大扩张角波瓣喷管主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,同时还对斜切波瓣与存在流动分离的基准波瓣喷管的引射系数和波瓣出口处的总压损失进行了研究。总的来看,对于存在主流侧流动分离的引射式大瓣角波瓣喷管而言,斜切处理一种是提高其引射效果、降低流动损失的合理方案。     

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.     

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。     

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.      

出口宽高比及旋流角对双涵道S弯喷管温度分布的影响

采用数值方法研究了出口宽高比及旋流角对基于真实排气混合器构型的双涵道S弯喷管内/外流场温度分布的影响.结果显示:在圆转方弯曲构型的作用下,波瓣混合器及尾锥诱导产生的流向涡在第二弯通道及等直段内部卷吸着热流冲击S弯喷管壁面形成"热斑".在完全遮挡高温部件准则的约束下,随着出口宽高比的增加,S弯喷管壁面的"热斑"温度先增大...     

波瓣喷射器强化混合的数值研究

利用FLUENT CFD(computational fluid dynamics)数值计算软件,对波瓣喷射器中无化学反应异类气体的混合过程进行了数值研究,二氧化碳气体作为主流从波瓣状狭缝中喷出,与同向空气流在混合管内进行混合.获得了两股气流相互混合过程中的速度分布、流向涡分布、组分分布等相关信息,分析了波瓣喷射器结构参数对流向涡环流强度的影响.波瓣喷射器诱导的流向涡强化了同向流动气体之间的混合效率,组分分布较为均匀.      

有中心锥圆排波瓣喷管引射器内流场模拟

为了了解有中心锥圆排波瓣喷管引射器内流场和温度场的特性，从圆柱坐标系出发，推导了非正交曲线坐标系下引射器内流场的基本方程，采用SIMPLEC算法和一种完全压力修正方法，在同位网络上求解了流场控制方程，并与实验测量结果进行了比较，结果表明，在中心锥壁面的作用下，圆柱混合管中流向涡很快形成，次流的低温等值线可以延伸至混合管中心轴线处，计算结果与测量值符合较好。