脉冲射流强化喷流混合的数值模拟

采用高振幅低流量射流射入亚音剪切层以强化喷流混合,对利用脉冲射流强化喷流混合的流场进行了数值模拟.利用有限体积法和重整化群(RNG)k-ε湍流模型求解N-S方程.分别进行了低亚音马赫数及中等亚音马赫数喷流混合的数值模拟.数值模拟结果显示,无论是对于低亚音速热喷流还是中等亚音速热喷流,脉冲激励引起喷流在与激励源平行的平面迅速扩展,在与之垂直的平面收缩,当脉冲射流激励的斯德鲁哈尔数在0.2时,可以得到较好混合,而且少量的射流流量(占主流流量的1%)可以极大地增加速度及温度的衰减率,随着流量的增加(占主流流量的3%),喷流混合得到进一步的加强.     

脉冲射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响

计算了脉冲射流强化混合喷流在3~5 μm波段的红外辐射特性,并与无脉冲激励喷流的红外辐射特性进行了比较,分析了脉冲射流强化混合对喷流红外隐身的效果.流场及温度场采用有限体积法和重整化群(RNG,Renormalization Group)k-ε湍流模型求解N-S方程得到.喷流的红外辐射强度采用有限体积法结合窄带模型求解吸收发射性介质辐射传输方程得到.计算结果显示,在亚音速条件下,少量的射流流量(占3%的主流流量)就可以使核心区长度缩减一半以上,在天顶角90°方向探测喷流的红外辐射强度,各个方位角上都有较大衰减,与激励源垂直的平面上的衰减效果相比,与之平行的平面上的更为强烈.      

脉冲射流强化喷流混合流动显示实验

采用激光诱导荧光的流动显示方法研究了在一对反对称模式工作的脉冲射流激励下,雷诺数约为33 000的圆形湍流射流的流场。捕捉了剪切层中大尺度展向涡结构的演化发展过程,研究了激励频率和振幅对涡结构以及强化混合效果的影响。结果表明:受激励后的主喷流剪切层中产生了交错的展向涡结构,引起了喷流的振荡,增强了卷吸能力。激励频率主要影响相邻涡环间的距离。存在最佳激励频率使喷流在受激励平面远场分叉、剪切层扩展最宽。激励振幅对涡结构也存在较大影响,振幅较大时产生的涡结构尺度更大、相干性更强、强化混合效果更好。      

微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响

计算了微射流强化混合喷流在3~5μm波段的红外辐射特性,并与无微射流强化混合的喷流红外辐射特性进行了比较,分析了微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响.喷流的流场及温度场结果采用有限体积法求解N-S方程得到,采用Tam-Thies湍流模型模拟喷流.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程得到.计算结果表明,在中等亚音速条件下,微射流可以达到较好的强化混合效果,射流流量占主流流量1%时,喷流的红外辐射强度比基准喷流的红外辐射强度降低15%左右,射流流量达到主流流量的3%时,喷流的红外辐射强度可以降低27%左右.     

超声速场中的反向喷流数值模拟

采用了高分辨率的N-S(Navier-Stockes) 方程数值模拟方法,对钝头体头部反向喷流进行研究.计算并分析了头部反向喷流现象中喷流马赫数、来流马赫数、攻角等因素对流场细致结构的影响,并对反向喷流减少阻力和减少气动加热的原理进行了深入分析和探讨.研究分析表明这些因素通过决定弓形激波、马赫盘的强度和位置,来影响回流区的大小和位置,从而使有反向喷流时阻力系数所受到的影响比无喷流时更大.      

战术导弹横向喷流数值模拟

为了研究喷流对导弹不同升力面的干扰影响,通过数值求解N-S方程来模拟超声速外流场中横向喷流的干扰流场,采用分块对接网格和"O"型网格技术,精确模拟喷口截面及弹翼形状,生成高质量的贴体计算网格.通过几种升力面和弹身组合的超声速横向喷流干扰流场的数值模拟,计算的马赫数为2和4.5,计算结果显示具有升力面的喷流干扰比光弹身的喷流干扰大.研究和分析了喷口附近流场的涡系结构和波系结构,并将导弹喷流干扰力放大因子及喷流引起的压心变化的计算结果与目前国外公布的试验值进行比较分析,二者显示了良好的一致性.     

下表面射流的超临界翼型气动性能分析

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响，采用雷诺平均NavierStokes(RANS)方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场，验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡，带动流线向下偏折，增加了翼型的等效弯度，同时加大前缘的吸力峰，从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明：给定状态下，下表面射流的位置越靠后，动量系数越大，翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°，在α=4°时的最优射流角度为160°，且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3～0.6范围内的气动性能。     

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

射流对高超声速进气道起动性能的影响

为探索利用射流技术降低进气道起动马赫数的可行性,对二元高超声速进气道二维流场进行了数值模拟,通过对比不同工况的流场结构、流量系数及总压恢复系数,分析了射流对高超声速进气道的作用效果,并研究了射流速度、压强及倾角对进气道起动性能的影响。分析结果表明:施加射流,激波与进气道边界层原有干扰形式发生改变,是降低进气道起动马赫数的主要原因。研究还表明,增大射流速度利于提高控制效果,但持续增大射流速度,会造成隔离段反压升高,并且这一现象与射流压强相关,降低射流压强能使进气道起动的射流速度区间扩大,同时在不同射流倾角下,上述规律表现一致。该研究揭示了进气道起动能力随射流参数变化的系统性规律,可用于指导工程设计及优化。     

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.     

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.      

大功率狭缝式活塞激励器流场测量与分析

研制了一种大功率活塞射流激励器,出口瞬时速度峰值可达0.3Hz,通过对活塞激励器射流流场测量,得到激励器出口流场速度、涡量分布,分析得到激励器合成射流流动结构与特征,通过采用活塞激励器控制同轴射流掺混,实验结果证明此种活塞激励器可以用于相对较高的速度流场的主动流动控制.利用提出的设计方法设计合成射流激励器可以在激励器出口形成稳定的对涡结构,采用一定的激励频率即可对喷管气流掺混进行有效控制.研究表明,合成射流激励器作为主动流动的执行机构,在航空动力排气系统具有潜在的重要价值.     

脉冲射流对环量控制翼型气动性能的影响

定常射流在大迎角下气动性能较差,借助脉冲射流能够有效改善大迎角下的气动性能,并减少射流所需质量流量。采用非定常数值模拟的方法进行了脉冲射流作用下的环量控制翼型气动特性计算和流场分析。总结了占空比和频率分别对时均升力和升力脉动幅值的影响趋势;分析了不同迎角下的脉冲射流流动机理;进一步指出了射流动量系数的影响规律,并借助脉冲射流和定常射流的叠加效应有效缓解了升力脉动现象。结果表明:低占空比、同等升力系数下,脉冲射流可大幅度减小质量流量,但升力脉动幅值较大;小迎角下随频率增大,升力系数先增大后减小,但整体变化幅度不大,大迎角下随频率增大,升力系数持续性增大;脉冲射流能够推迟失速迎角,扩宽环量控制技术的可用迎角,并且随动量系数增大,这种优势更加明显;借助脉冲射流与定常射流的叠加效应,能够有效缓解脉冲射流作用下的升力脉动现象,达到飞行使用条件。      

Simulation of cometary jets in interaction with the solar wind

The influence of cometary jets on the solar wind interaction is studied with a 3D hybrid simulation. Anisotropic outgassing patterns were until recently not considered in cometary simulations, despite strong anisotropies found at observations. Comet 67P Churyumov–Gerasimenko, the target of the ROSETTA mission, was chosen as a case study for a simulation series. The cometary outgassing at 2.7 AU is modeled to originate from a single sun-facing jet with different levels of collimation, from isotropy to extremely thin jets. As no bow shock is present at this distance, solar wind patterns resulting from the anisotropic outgassing become more apparent. We find narrower jets to increase the standoff distance of the plasma interaction structures. Also, the Mach cone is wider and stronger for certain jet profiles. The magnetic field remains unable to propagate through the coma, resulting in strong draping patterns for narrow jets due to the increased standoff distance.     

合成射流控制鼓包分离流动的数值模拟

为了研究合成射流控制鼓包背风面分离流动的效果,采用商用流体力学软件FLUENT^® 6.3求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,通过分析鼓包壁面摩擦力系数分布、旋涡脱落结构以及射流孔口附近流动结构,揭示了合成射流对分离点不固定的流动分离的控制机理.结果表明:在分离点前施加合成射流可有效缩小回流区范围,涡脱落被施加的激励"锁定",涡脱落的频率等于合成射流的频率.此外,在本研究所考虑的情况下,动量系数越大,控制效果越好.从时均效果看,当施加最大吹气动量系数为0.369 1%的合成射流时,分离泡长度减小了11%.     

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。     

混合与扩散同时进行的环形引射系统引射性能实验研究

本文设计了“混合与扩散同时进行”的环形引射系统,并结合其驱动引射式风洞,实验探讨了该系统的参数影响规律及混合特性,结果表明,引射器系统采取“同时混合扩散”方式可达到与传统的“等截面混合后再扩散”的方式相当的性能,但新方式下则大大缩短了系统结构尺寸,因而具有重要的实用意义。实验表明“同时混合扩散”方式只宜于应用在具有周向喷流特点的系统中,同时混合扩散角应与常规扩散角相当(β=6°)。研究表明,讨论喷流马赫数Ma_j对性能的影响应与面积比A_2/A_*的变化独立开来,Mα_j变化对性能的影响不超过10％,而面积比变化对性能的影响十分显著,在面积比与膨胀比适当的配合下,可获得较高的系统效率。