射流角度对平板横向射流的影响

采用数值和试验方法研究了射流角度对平板横向射流流动结构和工作特性的影响,将得出的规律应用于射流控制矢量喷管上.在小型风洞试验台上进行试验,用纹影方法来观察实验模型的流场结构,通过静压测点来测量实验模型的壁面压力.研究结果表明:数值与试验结果吻合较好;对平板横向射流,增大射流角度能增大射流上游的分离区,弓形激波位置更靠前,角度增加到一定大小,流场结构变化不再明显;对射流控制矢量喷管进行数值模拟得出,增大射流角度能有效提高喷管的推力矢量性能,在NPR为 4.6,SPR为0.7条件下,射流角度从90°增加到130°,推力矢量性能提高28.3%.     

微射流作用下的超声速流场控制机理研究

以24°压缩拐角为流场模型,针对不同注入总压微射流作用下来流马赫数为2.9的超声速压缩拐角流场进行了数值研究,喷射方向与来流垂直。研究表明,微射流阻挡作用下,其下游速度被减小,而减弱了分离激波强度。此外,微射流与来流耦合会产生正反向旋转流向涡对,在其下洗作用下,高能量流体被带入到边界层底部近壁面处,使此处低能流体被激活,进而增强了边界层的抗逆压能力不易发生分离,且这种激活能力会随注入总压的增加而增强。权衡控制效果和注入能量认为,注入压比(注入总压/来流总压)为0.60的微射流为最优方案,在其作用下,拐角区分离面积被减小了近70%、激波交汇点与壁面的距离被降低了近37%、分离激波强度被削弱近12%。     

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应，为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果，实验使用高频交流电源，基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射，研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用，火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强，从而扩大了剪切层燃烧宽度，同时燃烧释热速率会明显提高，这主要与等离子体活化效应有关，并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时，等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角，使火焰高度降低、宽度增大，且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.     

超燃试验用加热器三维粘性流场数值模拟

超燃冲压发动机试验时,使用燃烧型加热器模拟高焓、高马赫数的来流条件,而加热器的喷注结构对改善加热器出口流场均匀性具有重要作用.使用三维数值模拟软件Fluent对2种喷注结构的燃烧型加热器进行了三维定常反应流场模拟,获得了设计工况下的流场.结果表明,采用多孔斜喷结构能使氢气在横向有较大的穿透深度,加上空气的引射作用在燃烧室头部产生大尺度横向涡,增强了氢气和空气的混合燃烧以及燃气的掺混,使加热器出口温度场不均匀性从53%降为21%,氧气摩尔分数不均匀性从63%降为17%,更有利于开展超燃冲压发动机试验.     

应用气动斜坡和燃气发生器的超燃燃烧室

为增强超声速燃烧过程中的燃料掺混,设计了一种被动式燃料掺混增强结构:气动斜坡/燃气发生器组合燃料喷注结构,并在直连式超燃试验台上对这种喷注结构进行了纹影、油流谱等冷试和热试试验.同时数值模拟了超声速流场中气动斜坡/燃气发生器组合结构的流动及燃烧特性.结果表明:气动斜坡/燃气发生器组合结构有助于燃料的掺混,掺混效率由单独气动斜坡喷注器情况下的60%提高到了75%;总压损失主要由壁面摩擦产生,气动斜坡和燃气发生器产生的总压损失相对较少;作为燃烧室点火器使用的燃气发生器起着点火和助燃的双重作用.      

超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟

对超声速横向气流中燃料雾化过程采用欧拉-拉格朗日方法进行了数值模拟,气相场用欧拉法计算,液相场采用拉格朗日粒子跟踪方法计算,通过方程源项考虑液相对气相的影响.在液相的拉格朗日计算中采用改进的混合雾化模型来研究雾化过程.针对超声速横向气流中雾化的特点,结合雾化机理和实验测量结果,对原有的混合雾化模型进行了改进,并将改进后的计算结果与TAB(Taylor Analogy Breakup)模型和Reitz波模型的计算结果进行了对比.结果表明:改进的混合雾化模型的计算结果与实验测量值符合较好,更适合用于超声速横向气流中燃料雾化的数值模拟.     

合成射流作用机理及其对共轴射流掺混的影响

对合成射流流场及其作用下的内、外涵共轴射流流场进行了二维非定常数值模拟, 研究了合成射流流场和共轴射流流场情况.结果表明,合成射流由一系列对称分布在中心线 2侧的旋涡对组成,频率与激振频率相同,对外场构成一扰动力;涡对自形成后向远处运移 速基本稳定;腔内和腔外涡对的形成及发展变化过程总体保持一致,在每时刻则呈现截然相 反的发展态势;中心线速度的降幅起伏变化分布是由激励器的激振变化引起的,体现了涡量 产生、发展变化的基本特征;合成射流激励器的采用可使共轴射流截面掺混率比未加激励时 得到增加,增强了共轴射流的掺混效果.      

内混音速空气雾化重油喷嘴的试验研究

在横向气流中直射喷嘴雾化研究及超音速气流中喷嘴雾化研究的基础上,针对工业窑炉中烧嘴以重油(通常为油渣)工作的问题,设计和试验研究了内混音速气流两次空气雾化重油喷嘴,从原理上解决了喷嘴雾化细度(燃烧完全)和火焰长度(刚性)之间的矛盾。文中得出合理选择这种喷嘴的结构形式、几何尺寸以及混合腔压力,同时得出很好的雾化细度以及要求的火焰长度。结果表明,混合腔压力与供气压力之比应在0.60～0.70之间,所需压缩空气的压力为0.4MPa,所设计的喷嘴已投入使用。     

激波碰撞干扰流动非定常效应的数值研究

将AUSM+上风格式应用于数值模拟半球绕流激波碰撞干扰的流动中,揭示了该流动在定常来流条件下的非定常本质.分析弓形激波后超音速"喷流"的流动结构及其非定常效应的形成机制,提出一种新的激波碰撞干扰流动的非定常形成机理.      

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中,推进剂射流失稳与雾化是起始环节,会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究,但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟,分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响,阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现,所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率,其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大;在流动拓扑结构影响下,液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外,UFC主要产生拉伸应变率,而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明：射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响,UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率,进而促进片状或管状结构液体结构生成,从而引起液体射流破碎。     

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.     

气动弹爆破过程性能仿真分析

针对工业界对于安全有效的管道清洁装置的需求,设计了一种利用气动爆破的原理进行管道除垢的设备.该装置采用气动控制,利用压缩空气的瞬时释放产生的射流与冲击波的能量击碎管道内壁的附着物,实现管道除垢.通过分析装置工作的原理及运行过程,给出了重要参数的建模过程.通过仿真分析了气爆过程中压强、剪切力的分布特点以及传播过程,计算了其管道内气流速度场的分布变化,得出了气动弹爆破过程中对壁面产生的冲击主要来源于射流以及冲击波,并且在使用10MPa的工作压强下一次爆破可清理的管道范围超过160m.该设计可以高效的实现管道清污的作用.      

超音轴向分速风扇/压气机叶栅流动特征分析

本文介绍了三种带冲波的超音轴向分速叶型设计,及其叶栅流场计算,分析了这些叶栅流场特征。在计算的反压条件下,全部波系均控制在槽道内,叶栅槽道内存在不同大小的轴向分速超音区,这种叶型叶栅可承受的增压比高,总压恢复系数较低,这类叶栅的性能和流动特征尚缺少实验数据和理论分析。     

喷嘴雾化研究

本文概括本试验室所完成的喷嘴雾化研究成果,重点放在最近几年来在国际学术性刊物上和国际学术会议上发表的研究文章,包括基础性的研究,如液滴尺寸分布、液雾特性随喷嘴下游空间的变化、初始雾化的研究;应用性的研究,如高反压下的喷嘴雾化、超音速气流中的雾化等;也包括激光测雾技术的研究。