斜激波与弓形激波相互作用的彩虹纹影实验研究

斜激波与弓形激波相互作用形成的波系结构可以分为六类,其中IV型激波干扰产生了超声速"喷流",产生了极高的热载和压载。基于彩虹纹影显示技术,实验获得了六类激波干扰彩虹纹影照片,分析了各类激波干扰的波系结构。通过数值计算,获得了有无斜激波干扰的条件下,壁面附近温度与压强的分布,讨论了IV型激波干扰产生极高热载和压载的原因。研究表明,激波干扰发生以后,钝头体表明压载与热载急剧增加,尤其是IV型激波干扰,形成的超声速"喷流"射向钝头体壁面的超声速射流,会导致峰值压力剧烈升高,其数量相当于来流静压的近40倍,驻点附近的热流升高将近8倍。     

超声速欠膨胀冲击射流的数值模拟

利用有限体积法对轴对称可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的超声速垂直冲击射流进行了数值模拟，网格的划分采用非结构性网络，得到详细的波系结构，激波形状和位置与实验相吻俣，大压比下，壁面上冲击中心区域压力相对低，分布较平坦，压力最大点所在位置偏离中心冲击点，并且在近壁处有回流。     

三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

复燃对液氧煤油发动机尾焰冲击特性影响研究

为了研究复燃对液氧煤油发动机尾焰冲击特性的影响,建立了液氧煤油发动机尾焰冲击数值计算模型,并基于模型研究了喷管出口距离平板3m,5m两种工况下复燃对尾焰冲击特性的影响。结果表明:模型考虑了发动机内部燃烧对尾焰冲击特性的影响,计算得到了主射流区的激波结构;复燃增大了尾焰自由射流区和壁面射流区的高温区域,改变了自由射流区和滞止区的形状结构;平板壁面压力随着径向距离增大而逐渐减小,并且3m工况时在1.8m和2.5m处分别出现2.5倍环境压力和1.5倍环境压力的波动,5m工况时在2m处出现1.5~2倍环境压力的波动,在波动之后平板壁面上压力很快降为环境压力,复燃对5m工况的波动较3m工况影响大。     

支板/凹腔超声速燃烧室总压损失特性研究

为了研究支板/凹腔超声速燃烧室总压损失特性,基于实验测得的壁压,结合一维分析方法,得到了支板/凹腔超声速燃烧室冷态和热态的沿程马赫数与总压。对不同当量比下,燃烧室冷态与热态的总压损失特性进行了研究。研究表明:支板/凹腔超声速燃烧室在当量比为0.35～0.8的范围内,随着当量比的提高,热态的总压损失系数逐渐减小,会逐步小于冷态总压损失系数;其中壁面摩擦和燃烧对总压损失的影响随之减小,波系结构的影响随之增加。     

单孔冲击式帽罩前缘流动换热特性数值分析

为了提高航空发动机帽罩冲击防冰结构的设计分析水平,对单孔冲击式帽罩前缘结构的流动换热特性进行数值研究,分析了不同冲击孔径与不同冲击雷诺数对帽罩前缘速度流场、换热系数与努塞尔数的分布规律。结果表明:在冲击雷诺数一定的条件下,冲击孔径越大,射流核心速度和前缘壁面附近的气流速度越小,前缘冲击区形成的涡流团越大,当孔径D=6 mm时,小孔径冲击下前缘区整体换热效果不如大孔径的,而在滞止区的换热效果则要优于大孔径的;当D>12 mm时,孔径大小对壁面换热基本没有影响;在冲击孔径相同时,增大冲击雷诺数使得冲击射流、前缘壁面附近及侧壁曲面通道内的气流流速增大,冲击区内的涡流团则逐渐减小;冲击雷诺数的增大也增强了前缘冲击区的换热特性。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

高速冲击射流流场特性与噪声机理的研究

利用纹影方法和高速摄影得到了高速冲击射流在不同压比下的流场结构，发现在马赫盘出现之前，冲击射流的流场是整体振荡的；而马赫盘出现之后，冲击射流的流场振荡局限于马赫盘与冲击平板之间，且此时离散频率的冲击单音也明显减弱甚至消失，这意味着马赫盘的形成可一定程度地抑止反馈环的形成。     

射流间的声屏蔽对啸叫的作用

用纹影流动显示、声学特性测量和理论分析相结合方法，研究欠膨胀超声速双射流布局对声学特性的影响。欠膨胀超声速双射流的啸叫基频模式与单自由射流相比，在模式切换对应压比上不同，但基本规律相同。但双射流的三维空间流动特性，使不同空间方位上测得的声学特性不同，射流间对彼此处于螺旋啸叫C模式的声辐射有显著的屏蔽作用，在上、下游靠近主轴的方位角处屏蔽效果最大。利用双射流的声屏蔽特性，可达到降噪目的。     

楔形凹腔内带前伸槽冲击板射流冲击换热

针对楔形凹腔内带前伸槽冲击板结构开展了传热特性的试验研究,分析了冲击板前伸槽伸出长度比（5~11）、前伸槽宽度比（2.5~8）和射流雷诺数（7900~31700）等参数对凹腔表面温度、展向平均努塞尔数和面积平均努塞尔数以及射流压力损失的影响.研究结果表明:相对于基准冲击板,带前伸槽的冲击板能够使得凹腔的射流冲击对流换热较基准冲击板有较大幅度的改善,但引起较大的射流压力损失;前伸槽伸出长度的增大使得凹腔表面射流冲击对流换热有较显著的增强,对射流压力损失的影响很小;增大冲击板前伸槽宽度可以使得凹腔表面对流换热得到一定程度的强化,但也会造成压力损失的增大.      

周期性湍流射流冲击下的传热与流场特征

实验研究了周期性变化的湍流射流冲击平板时的传热和流场特性,对实验现象和射流冲击强化传热机理进行了探索和分析。利用一个特殊的质量流量控制装置产生周期性的冲击射流,采用典型的正弦和矩形变化的射流,在不同频率下进行实验。研究表明,两种周期性射流冲击传热性能有很大差异,矩形冲击射流的传热性能优于正弦冲击射流,提高频率有助于射流冲击传热的强化。用粒子图像测速(PIV)技术对流场进行锁相实验测量,研究表明,在较高频率下,阶跃变化的矩形射流冲击时整个变化周期内平板表面处于强烈的冲击和涡流不断的产生和传播状态,从而能有效地强化对流换热过程。平缓连续变化的正弦射流的锁相平均速度场低于矩形射流,卷吸和冲击作用、涡流的形成和传播过程均没有矩形射流冲击下那么强烈,从而导致换热强化效果相对较弱。     

叶片内部气膜孔附近壁面局部换热特性

对叶片弦中区内部“冲击-气膜出流”冷却方式中气膜孔附近壁面的换热特性进行了实验研究。取气膜孔前后三倍气膜孔径范围为研究对象，重点研究了冲击间距及冲击孔与气膜孔沿流向相对位置对其换热的影响规律。研究发现：对气膜孔前后局部范围，存在最佳的冲击间距与气膜孔径比；同样，对气膜孔前局部范围，也存在最佳的冲击、气膜孔沿流向相对距离与气膜孔径比；随着冲击孔与气膜孔相对距离的增大，冲击对气膜孔局部换热影响变小，气膜“溢流效应”突出，越靠近孔的地方换热越强。     

高压环境下剪切稀化非牛顿撞击射流直接数值模拟

高压环境下的撞击射流是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其雾化效果将直接决定最终燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,对10 MPa高压环境下剪切稀化非牛顿直角撞击射流的三维非定常雾化特征、机理及非牛顿特性进行了研究。结果表明：高压环境下该撞击射流的雾化流场呈圆形辐射状分布并形成Mushroom头部和Ω状的局部凸起,气体中的涡量分布表现为有序贴附区和无序爆炸区两类,液膜向液丝的破碎主要受平均气体力和平均黏性力作用影响,而液丝向液滴的破碎则主要受局部流场参数影响,撞击雾化过程中液体无量纲表面积不断增长并可分为5个阶段。此外,撞击射流头部在局部强剪切力作用下其无量纲黏性系数最低降至仅0.7。     

凝胶推进剂雾化特性研究进展

为了进一步认识凝胶推进剂雾化过程,促进凝胶发动机的设计和优化,综述了射流撞击式、离心式、气泡式以及燃烧条件下凝胶推进剂雾化特性的研究进展。综述结果表明,凝胶推进剂雾化性能明显差于牛顿流体推进剂,凝胶液膜尺寸显著增大,液丝较难破碎为小粒径液滴;射流撞击式喷嘴对凝胶推进剂的雾化效果优于离心式喷嘴;随着射流雷诺数和韦伯数增大,撞击式凝胶液膜的雾化模式依次为边缘闭合模式、边缘开放模式、无边缘射线模式、液丝分离模式和充分发展模式;采用锥形结构、减小喷嘴出口长径比、方形和椭圆形喷嘴出口皆有利于凝胶液膜破裂,且增大喷注压力、撞击角、温度、室压和减小撞击距离均能改善液膜雾化效果。燃烧条件下MMH/NTO凝胶推进剂撞击液膜破裂雾化机制在宏观上与冷模条件下凝胶推进剂模拟液撞击液膜较好地吻合。此外,对凝胶推进剂雾化特性的进一步研究工作提出了建议。     

不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性

为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性,针对不同压比下,超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态,可区分各纯音模态的声源特性。结果表明:当压比在2.0~3.2之间时,共出现五种纯音模态:A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率,此时流场呈现同轴模态;d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率,且e模态出现时流场转化为螺旋模态,这是一种不稳定模态;当压比大于等于2.53时,纯音模态稳定成单一模态B,B模态纯音频率为啸叫频率,其流场结构转化回同轴模态,啸叫频率对斜板的存在与否不敏感;啸叫频率随着压比的增加逐渐减小,其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。      

Experimental investigation of hot and cold side jet interaction with a supersonic cross-flow

This paper reports on experimental aerodynamic investigations on a high-speed missile with side jet control especially with regard to the interaction of cold and hot side jets with supersonic cross-flow. The hot jets were generated with solid propellants. To analyze the effect of the hot jet in relation to side jet control, wall pressure distributions were measured in the area of jet interaction. As a test parameter, the jet pressure ratio was varied and schlieren images were taken to visualize the shocks. In addition, the development of large-scale vortex structures on hot gas jets was detected with high-speed videos. The frame sequences show periodical turbulent jet structures and permit the manual evaluation of their spatial distribution. Analyzing the images, the convection velocities of the large-scale structures and their convection angles were determined. The convection velocities reach the magnitude of cross-flow velocity shortly behind the hot jet exit.     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。