基于OpenFOAM的超临界压力下低温射流大涡模拟

为了深入认识低温射流在超临界压力下的流动特性,将真实流体热物性模型写入开源CFD程序OpenFOAM平台中,开发出了用于模拟超临界压力下流动过程的均相求解器。针对液氮跨临界、超临界射流进行大涡模拟,研究了环境条件变化对于低温射流流动特性的影响。结果表明：采用的真实流体模型能够在广泛的温度与压力范围内准确计算流体的热物理性质,在此基础上开发的均相求解器能够准确描述超临界条件下的低温射流,其流动特性主要表现为稠密液体与环境气体之间的剪切层不稳定以及湍流混合,此类变密度射流在湍流充分发展区域同常密度射流一样具有自相似特性;超临界射流相比于跨临界射流具有更高的混合效率以及更短的液核穿透长度;环境温度升高以及环境压力降低均使得低温射流与周边气体之间的密度梯度增加,对剪切层中不稳定波动的发展起到抑制作用,导致了射流液核长度的增加以及扩张角度的减小。     

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。     

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性，基于可压缩Navier-Stokes方程，采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68，喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征，得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外，因桶形激波背风面低压区处的斜压效应，射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对，反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动，形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面，因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。     

基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。     

基于大涡模拟的圆转矩喷管尾喷流强化掺混机理研究

为揭示2元圆转矩喷管尾喷流强化掺混的内在机制,应用大涡模拟(LES)方程对2种相同进、出口直径的喷管模型(轴对称、2元圆转矩)在Ma=0.8、高雷诺数(2×10~5)条件下进行了数值模拟计算。结果表明:与轴对称喷管相比,圆转矩喷管射流掺混效应增强,速度衰减快,核心区长度和高温区域面积减小。同时尾喷流拟序结构变化说明:2种喷管主要拟序结构均包含涡环、涡辫、发卡涡、螺旋涡等相似结构;但圆转矩喷管在射流近场诱导出的涡旋更丰富,边角剪切涡发展更快,形成明显的CVP结构,导致其射流柱失稳时刻提前、距离缩短;同时,喷管形式的改变使得射流剪切层内雷诺应力增大,速度脉动增强。拟序结构发展及雷诺剪切应力变化说明在射流流场中涡旋发展耗散速度增大、速度边界层脉动增强、射流柱易失稳是导致射流掺混增强的本质因素,为异形喷管的强化掺混机理提供了依据。     

叶栅内冷气射流场结构的数值模拟

采用具有 TVD性质的三阶精度 Godunov格式对涡轮叶栅背弧表面进行了冷气喷射的数值模拟。射流由冷气孔喷出后在空间的发展过程中逐渐形成典型的卵形涡对, 在压力场的作用下射流被压弯并逐渐向背弧表面靠拢。射流在出口附近具有刚体的特性, 并在射流前方形成了鞍点及马蹄涡。同时本文还验证了大冷气喷射速率条件下, 卵形涡消失于主流而非边界层内的结论。      

亚声速旋拧射流噪声中的温度效应

采用大涡模拟（LES）方法模拟亚声速旋拧射流,着重考察温度效应对旋拧射流近场流动演化过程、湍流脉动空间发展和远场噪声的影响。线性稳定性分析表明,旋拧射流中提高射流中心温度会增加剪切层的扰动增长率;数值结果显示,加热会促进剪切层中大尺度结构的产生及相互作用,促使流动更快进入湍流状态,并缩短射流势核区的长度。在初始层流发展阶段,加热会提高中心线上的流向速度脉动峰值,但是对剪切层中的流向速度脉动峰值几乎没有影响;在湍流发展阶段,提高射流中心温度会提高流向速度脉动衰减率,并降低脉动幅值。此外,在非等温射流中,密度脉动幅值要远高于等温射流。在30°方位角附近,等温射流的总声压级幅值最高,冷射流的噪声幅值最低。方位角大于50°时,加热使总声压级降低,且随着方位角幅值的增大,降低越明显;而冷却则会提高总的声压级幅值。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

自耦合射流激励同向气流掺混的数值研究

针对同向两股气流掺混的某一特定物理模型,对自耦合射流作用下的气流掺混过程进行了数值模拟研究以揭示激励参数对于同向两股气流掺混的影响.与未施加自耦合射流激励的掺混过程相比,自耦合射流周期性的吹/吸诱导流场内产生复杂的大尺度涡系结构,使得同向两股气流形成对流型混合,有效缩减了主流核心区长度;随着自耦合激励器驱动频率和驱动振幅的增大,自耦合射流出口附近的涡强度增强,同向两股气流掺混效果得到有效改善.      

抑涡孔气膜冷却的大涡模拟

采用大涡模拟研究抑涡孔气膜冷却的流动和换热机理.通过与相同工况下圆孔气膜冷却流场的湍流结构进行比较分析,得出辅孔射流与主孔射流之间的干涉作用,并探索大尺度湍流结构影响气膜冷却效率的物理机制.结果表明:①辅孔射流抑制主孔射流形成的反转涡对的尺寸和强度,并为主孔射流的卷吸提供冷气补充;②由于上游辅孔出流冷气的保护作用以及对主孔出口尾缘低压区的冷气补充作用,主孔射流在气膜孔出口处温度没有急剧升高;③由于辅孔射流的干涉作用,主孔射流并未形成完整的发卡涡结构,而是无规律的近壁条带结构,减少了冷气和主流的掺混,并使冷气更好覆盖和冷却壁面.      

幂律型流体撞击射流破碎特性直接数值模拟

凝胶推进剂的双股射流撞击雾化广泛应用于液体火箭发动机的燃烧室中,其破碎特征及雾化效果直接影响燃烧效率。为探究雾化特性的发展规律,采用直接数值模拟DNS方法,对射流速度为100m/s的剪切稀化非牛顿液体正交撞击产生的雾化特征、液体表面积、表面波、涡特性以及非牛顿特性开展研究。结果表明,射流下形成的雾化流场迅速扩张形成液膜,液膜两侧边缘破碎成大量的液丝与液滴,核心部分产生撞击波后在气体力的作用下逐步发展为带有凸起和褶皱的不稳定表面波,其撞击波波长最大可达2.46倍射流直径。液体表面积不断增长,但无量纲表面积总体呈现先下降再上升的趋势。气体中的涡量分布则分为有序附着区和无序爆炸区两类,并且涡量主要集中分布于气相区域。此外,射流撞击时产生强剪切使该液体内部的粘性系数下降,最低仅为初始粘性系数的0.3倍。     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

基于OpenFOAM的真实流体模型库及均相求解器开发

为了正确认识高压环境下的流体非理想性特征,及其对于低温射流喷雾过程的影响作用,将多种不同真实流体模型写入到开源CFD程序OpenFOAM仿真平台中,编译形成具有广泛通用性的真实流体热物理模型库;并将高压下真实流体特征的影响引入到压力修正算法中;开发出适用于描述超临界环境下低温流体流动过程的均相求解器。对高压下流体热物理性质的非理想性,以及超临界环境下的低温液氮射流喷注过程进行研究。结果表明:高压下的真实流体效应主要体现在低温区域,本文所建立的模型库可以在任意热力学状态范围内正确预测流体热物性;基于此模型库所开发的均相求解器可正确预测超临界环境下低温射流的详细流动特征和结构,而理想气体模型则会大幅低估射流核心区密度分布,中心线上误差高达68.9%;综合考虑计算精度和效率,PR EoS及相关模型更适合于这类超临界流动问题的求解;低温射流跨临界喷注中局部区域所发生的虚假沸腾现象会导致射流温升速率降低、体积膨胀速率加快;射流核心区压缩因子明显1,在数值仿真时必须考虑高压环境下的真实流体效应。     

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.      

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

燃油直接喷射入横向气流中雾化机理数值研究

采用商业软件Fluent对燃油直接喷射入横向气流中的破碎雾化过程进行数值模拟,选用欧拉-欧拉方法中的VOF（volume of fluid）耦合level-set方法模拟气液两相流动.数值模拟了横向气流中燃油直接喷射射流破碎雾化过程及其相应流场信息,分析了流场结构对液柱破碎雾化过程的影响,获得了横向气流中射流破碎点位置以及射流穿透深度,并与试验数据进行了对比.数值计算结果表明:①采用VOF耦合level-set算法能够较好地模拟射流喷入横向气流中燃油破碎雾化过程;②由于反向旋转的涡对的存在,使得液膜和液滴沿着展向（y向）输运,对于液滴的二次雾化起到促进作用;③射流液柱总是在喷嘴下游约8倍直径处开始破碎,且破碎点位置取决于喷嘴几何特性.      

后缘喷流对三角翼绕流影响的N-S方程数值分析

本文用拟压缩性方法求解不可压流雷诺平均拟压缩Ｎ－Ｓ方程组,对带有后缘喷流的三角翼粘性绕流进行了数值模拟,求解中采用了Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ隐式近似因子分解格式以及ＭＭＬ代数湍流模型。计算结果说明,后缘喷流使涡核压强降低,使涡核速度增大,从而对三角翼前缘分离涡有稳定作用,并能增大上翼面的负压值和下翼面的正压值,从而可以增加部分升力。计算结果还说明,喷口面积或喷流下偏会使上述作用增强。