合成射流流动特性实验研究及在燃烧中的应用探讨

应用热线风速仪对合成射流激励器出口流场进行了较详细测量。实验结果表明,激励器流场可划分为2个不同的区域。在距离激励器出口10～15倍出口缝宽之前,流动具有强烈的非定常性;在此位置下游,流动特性与常规射流相似。在流向中心线上,随着向下游距离的增加,时均速度呈先增后降的趋势,湍流度则单调递减。当激励电压有效值40V、激励频率980Hz时,时均速度在15倍缝宽处达到最大,约14.2m/s,激励器出口附近湍流度近80%。在展向上,时均速度、湍流度均剧烈改变,梯度变化明显高于常规喷流。适当参数的合成射流激励可以改善扩散燃烧器出口温度分布、降低NO_x生成量。      

等离子体合成射流的理论模型与重频激励特性

等离子体合成射流(PSJ)具有激励强度大、响应速度快等优点,在超声速流动控制领域应用前景广阔。鉴于此,基于传热学和气体动力学的相关理论,建立了考虑喉道内部气流惯性、腔体内外热交换以及吸气恢复阶段的PSJ全周期理论模型,实现了射流速度峰值时刻、吸气过程和振荡过程等关键特性的预测。基于该模型,分析了等离子体合成射流激励器的重复频率工作特点,研究了能量沉积、激励频率和射流孔径对于重频激励特性的影响。重频条件下,激励器存在过渡和稳定两种典型状态。过渡状态下,腔内平均温度不断升高、射流速度峰值逐渐增大。稳定状态下,腔内气体参数呈周期性变化。随着能量沉积和激励频率的增加,激励器腔体内壁温度、射流速度峰值和时均冲力均增加。受腔体材料耐温极限的制约,激励器存在安全工作的参数区间(SOA)。随着孔径的增加,SOA增大,但稳定工作状态下的射流速度峰值和射流持续时间减小。     

合成射流速度特性的实验研究

利用热线风速仪，测量了某受激扬声器产生的合成射流的速度大小。详细测量了频率、功率、波形、空间距离等对合成射流平均速度、最大速度的影响。测量结果表明，所研究的合成射流激励器能够产生很大的射流速度：平均速度与最大速度分别达到42．5m／s和117m／s。合成射流速度强烈依赖于激励频率，测得3个共振频率分别为750Hz，1600Hz和2700Hz，在偏离共振频率时合成射流速度迅速减弱。     

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。     

两电极等离子体高能合成射流流场及其冲量实验研究

两电极等离子体高能合成射流激励器通过腔体内电极间的瞬时电弧放电加热腔内气体,在激励器出口产生压差并喷出高速射流,从而产生反作用力和冲量。针对两电极等离子体高能合成射流响应快、持续时间短的特点,设计了单丝扭摆式微冲量测量系统,并结合高速阴影系统,对两电极等离子体高能合成射流的流场发展过程及其单脉冲冲量特性进行了实验研究。实验结果表明,两电极等离子体高能合成射流响应时间小于10μs,射流持续时间约为1ms,射流前锋最大速度约为190m/s,射流流场发展过程中存在多道强压缩波,并以当地声速向下游传播。单丝扭摆式微冲量测量系统可实现μN·s量级冲量测量精度,单脉冲冲量约为32μN·s,并且在低频状态下射流总冲量随激励器放电频率成线性增加。     

等离子体激励器控制平板边界层转捩实验研究

在低速射流风洞中,研究了单级介质阻挡放电等离子体激励器对光滑平板边界层转捩位置的控制作用。实验采用热线测量技术,以边界层速度脉动与平均速度型作为转捩判据。实验发现,在来流速度为15 m/s,激励器连续放电参数为输出电压峰峰值11 kV,频率4.7 kHz时,在激励器放电作用下,平板边界层转捩位置推迟约40 mm。在相同的来流条件和激励器布局下,研究了不同放电参数对边界层内速度型,速度脉动以及频谱分布的影响,发现提高放电电压、频率和占空比能进一步推迟转捩。实验结果表明:激励器产生的射流效应可以增强边界层流动的稳定性,随放电电压、频率以及占空比增强,射流能量增大,因此边界层稳定性进一步加强,转捩控制效果也更明显。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

不同狭缝厚度的零质量射流PIV实验研究

为了研究厚度对活塞型激励器产生的零质量射流流场的影响,利用粒子影像测速仪对h=1.5 mm,2mm和3.5 mm三种不同狭缝厚度的零质量射流流场进行了实验研究。采用相位锁定技术,在一个振动周期内捕捉了12个不同相位时刻的流场图片。实验发现,合成射流时间平均流场的横向速度剖面与二维常规射流相似,具有自模化特性;合成射流的质量通量、动量通量、中心线速度的峰值与狭缝厚度成正比。随着狭缝厚度增加,与质量通量和动量通量峰值相应的距出口的无量纲距离减小,而与中心线速度峰值相对应的无量纲距离增加。     

水下合成双射流流场特性与推力特性实验研究

为实现合成双射流技术在水下航行器上的应用,对水下合成双射流开展了流场特性和推力特性的实验研究,分析了水下合成双射流的平均流场特性和推力特性。实验得到了激励器出口不同位置处平均流场流向速度分布情况和水下合成双射流峰值推力随激励器驱动频率的变化规律,并研究了驱动电压幅值和波形对流场及推力的影响。实验发现:存在最佳频率使得水下合成双射流推力达到最大;驱动电压幅值越大,推力越大;不同波形的电压所产生的推力不同,矩形波所产生的推力相对正弦波和三角波所产生的推力更大。     

激励强度对等离子体合成射流的影响

通过在Navier-Stokes方程组中添加体积力源项的方法,模拟了不同激励强度下等离子体合成射流,并研究了激励强度对流场特性的影响。计算结果表明,随着激励强度的增大,激励器附近壁面处的涡量增大,对应的涡对中心诱导的流向速度增大,从而导致涡核更加远离壁面,并被拉伸变长。对于等离子体合成射流的时均流场,其中轴线上的流向速度随着激励强度增大整体变大。在较小的激励强度下,射流半宽度随着激励强度的增大而增大;而激励强度很大时(>6 Dc0),激励强度对半宽度基本没有影响。沿流向的动量通量也随激励强度的增大单调增加。