波瓣喷管引射-混合器涡结构的数值研究

通过波瓣喷管引射-混合器的流场三维数值计算,得到了流向涡和正交涡产生、衰减的演变以及对混合效率的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射能力和混合效率的内在机理.结果表明:喷管出口流向涡的尺度基本与波瓣的高度相当,流向涡可以诱发主流和次流之间强烈的对流混合,在喷管下游一倍混合管直径的混合距离内强化混合作用显著,随着流向涡向下游发展,涡强衰减迅速;正交涡具有与波瓣尾缘一样的几何外形,在混合管下游,由于主流和次流之间的速度梯度下降,正交涡的强度显著降低,对强化混合的影响不大.     

微波瓣燃烧器中流向涡混合数值研究

为了检验波瓣喷管下游流向涡能否促进燃烧, 对尺度为毫米量级的微波瓣喷管混合燃烧器中流向涡的行为进行了数值模拟研究.研究发现, 微波瓣喷管燃烧器中远没有微波瓣喷管混合器中非常强烈的流向涡形成和发展, 造成差别的根本原因在于本该形成流向涡的主次气流接触界面变成了燃烧火焰的锋面, 燃烧反应气流体积的急剧膨胀使流向涡环量迅速耗散衰减.另外, 流场计算结果显示在4波瓣和8波瓣微喷管燃烧器中主次流接触初期有较明显的流向涡生成、发展和很快消失, 而在12波瓣微喷管燃烧器中基本没有明显的流向涡形成和发展.但是, 对比模拟表明, 在同样边界条件下12波瓣微喷管混合器中却有非常明显的流向涡的形成和发展.      

波瓣喷射器强化混合的数值研究

利用FLUENT CFD(computational fluid dynamics)数值计算软件,对波瓣喷射器中无化学反应异类气体的混合过程进行了数值研究,二氧化碳气体作为主流从波瓣状狭缝中喷出,与同向空气流在混合管内进行混合.获得了两股气流相互混合过程中的速度分布、流向涡分布、组分分布等相关信息,分析了波瓣喷射器结构参数对流向涡环流强度的影响.波瓣喷射器诱导的流向涡强化了同向流动气体之间的混合效率,组分分布较为均匀.      

非对称波瓣下外扩张角对S型喷管气动热力性能影响

为了研究非对称波瓣下外扩张角对S型喷管气动热力性能的影响规律,以含非对称波瓣的S型喷管为研究对象,保持非对称波瓣长度、内扩张角、高宽比及上外扩张角不变,取定非对称波瓣下外扩张角依次为17.75°,22.75°,27.75°,32.75°,建立了一组具有不同下外扩张角的非对称波瓣S型喷管模型。通过数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,得到了S型喷管气动热力性能随非对称波瓣下外扩张角的变化规律。研究结果表明:第一个弯道上游流场中,流向涡具有较强的混合能力,其核心区无量纲涡量值随非对称波瓣下外扩张角增大而逐渐增大;然而,在第一个弯道下游流场中,所有模型对应的流向涡核心区无量纲涡量值均已非常微弱。在S型喷管弯道区域,流道流向、截面形状发生巨大改变,使得内外涵流体混合效果显著提高,但混合流体的总压恢复系数却急剧下降。混合流体热混合效率值受下外扩张角影响不明显,但S型喷管下半部分内壁面温度随下外扩张角增大而逐渐上升。在S型喷管出口,下外扩张角为17.75°模型的总压恢复系数为0.9464,高于其他3种模型,并且相对于该截面上总压恢复系数最低值增加了0.55%。     

交变波瓣喷管高效掺混机理

结合现有交变波瓣的特点对基准波瓣喷管进行处理,设计了一种新型波瓣喷管——剑形深波谷交变波瓣喷管。采用数值方法对基准波瓣喷管、平端面交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管、剑形深波谷交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管扇形处理的射流掺混进行模拟,研究了交变波瓣喷管高效掺混的机理。结果表明,交变波瓣喷管除了深、浅波谷之间的尾流区和较小的核心区代替了基准波瓣喷管较大的核心区以外,在侧壁尾流区产生更饱满的流向涡,以及深波谷端次流前锋的刺入或在深波谷端产生流向涡,都对提高掺混效率起重要作用。交变波瓣喷管射流掺混中横向流动程度越大造成的流动损失越大,其关系为初始流向涡量每增加0.1,总压恢复系数将减小0.0001。     

非对称波瓣上外扩张角对S弯二元喷管性能影响

为了明确非对称波瓣上外扩张角对涡扇发动机S弯二元喷管流场、流向涡涡量场、热混合效率、总压恢复系数和壁面最高温度的影响,采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的三维数值模拟方法对不同非对称波瓣上外扩张角模型进行了定量研究,并得到了气动热力性能的影响规律。结果表明:非对称波瓣上外扩张角在5°~25°变化时,在波瓣尾缘处,流向涡的无量纲涡量随上外扩张角的增大而增大。在S弯二元喷管出口截面处,热混合效率随上外扩张角的增大而增大,总压恢复系数随上外扩张角的增大呈现出增大-减小-增大的趋势。S弯二元喷管的壁面最高温度随上外扩张角的增大先下降后升高,其中上外扩张角为10°壁面温度最低,约为426K。     

直排波瓣喷管引射器流场计算k-ε模型的选择

应用N S方程 ,对一种实验引射性能较好的直排波瓣喷管引射器内复杂流场进行了数值模拟。采用三维贴体坐标 ,同位网格 ,研究了标准k ε、Chenk ε和RNGk ε湍流模型应用于波瓣喷管引射器流场计算的可行性和计算精度。结果表明 ,上述三种湍流模型均能揭示混合段中流向涡的发展规律。总的看来 ,Chenk ε模型和RNGk ε模型计算结果与测量值差别最小 ,远远好于标准k ε模型。     

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.      

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.      

直排波瓣喷管引射器流场计算κ-ε模型的选择

应用N-S方程,对一种实验引射性能较好的直排波瓣喷管引射器内复杂流场进行了数值模拟.采用三维贴体坐标,同位网格,研究了标准κ-ε、Chen κ-ε和RNG κ-ε湍流模型应用于波瓣喷管引射器流场计算的可行性和计算精度.结果表明,上述三种湍流模型均能揭示混合段中流向涡的发展规律.总的看来,Chen κ-ε模型和RNG κ-ε模型计算结果与测量值差别最小,远远好于标准κ-ε模型.     

多级波瓣引射混合器气动性能数值研究

通过三维CFD计算,研究了在特定混合管长径比和截面比下,单、双级波瓣引射混合器性能随基本结构参数变化的规律和差异.研究结果表明:双级波瓣引射混合器的引射系数随波瓣扩张角和主流速度的增加而增加,双级波瓣引射混合器的第1级引射系数要高于单级波瓣引射混合器,且总引射系数比单级波瓣引射混合器高出100%;主流流速增加,流向涡强度和速度环量相应增大;单级波瓣引射混合器沿程流向涡峰值强度不断减弱,但速度环量先增加后减小;双级波瓣引射混合器沿程流向涡强度和速度环量则同时逐渐减小,且在1级引射中减小速度要快些;由于主流速度增加或扩张角增大造成的主流过早附壁使得热混合效率减小;尽管双级波瓣引射混合器混合管内热混合效率增加放缓,但与单级波瓣引射混合器相比,混合管出口处热混合效率还是有6%的增加.      

波瓣喷管-狭长出口弯曲混合管引射混合特性分析

针对波瓣喷管和具有狭长出口的弯曲混合管所构成的引射-混合系统,进行了引射和混合特性的实验和数值研究,获得了主流和引射气流相互混合过程中的速度场、压力场和温度场的相关信息,以及表征引射-混合系统总体性能的引射系数和总压恢复系数等结果,对比表明数值计算和实验数据的相对误差在15%以内。由于弯曲混合管的出口狭长,弯曲混合管的混合流动受到流向旋涡和弯管二次流的共同影响,形成了有别于常规椭圆形出口截面混合管的一些独特的流动现象和特征。      

Development of secondary flow field under rotating condition in a straight channel with square cross-section

The developing secondary flow fields in the entrance section of a rotating straight channel were experimentally investigated using Particle Image Velocimetry (PIV). The effects of streamwise position, Reynolds number and rotation number on the development of the secondary flow fields were revealed. The results show that the absolute values of vorticity flux of the trailing side roll cells increase with increasing radius of the measured plane and rotation number. When the absolute value of vorticity flux exceeds a critical value, the merging of the trailing side roll cells appears. Moreover, when the number of the trailing side vortex pairs is even, the absolute values of vorticity flux of the leading side vortices increase along streamwise direction. Otherwise, the absolute values decrease along the streamwise direction. By the circulation analysis, this phenomenon was found to have relationship with the merging of the trailing side roll cells, and further concluded that the secondary flow field in a rotating channel has to be treated as a whole. At last, the increase of the Reynolds number was found to be able to induce the merging position moves upstream.     

弯曲流道内二次流动的运动学分析和 数值可视化方法

通过运动学分析,得到了涡量与二次流之间的关系方程,介绍了弯曲流道内二次流结构的可视化方法.以截面法向涡量为基础,可求解得到与涡量对应的二次流速度场.该方法具有以下几个特点:从运动学求解得到的涡量与二次流流函数之间的方程,直接体现了二次流作为涡的特性,且作为分析流动结构的后处理方法,能够量化地求解出二次流速度以及分布情况.该方法消除了位势流的影响,使二次流显示更加真实清晰,这种方法比速度矢量图法更加准确完善.      

利用周向涡量对压气机进行气动数值优化

采用人工神经网络结合遗传算法,利用周向涡量,对一单级低速压气机转子空间弯掠积叠曲线进行了气动数值优化.优化目标为小流量工况下绝热效率最大.结果表明,优化后转子出口的周向涡量分布改善,压气机级在小流量区域的效率得到很大提高,稳定工作裕度得以拓宽.该方法不仅在数学和物理上使得优化进程高效的收敛于最优解,而且能给后续的压气机级提供一个组织有序的流场.      

燃气轮机压气机涡量动力学理论及分析方法

阐述了压气机涡量动力学理论及分析方法,建立了压气机总性能参数与两个重要的涡量参数(边界涡量流(BVF)和周向涡量)的直接数学物理关系,研究了基于BVF和周向涡量的分析优化方法.将该方法应用于燃气轮机多级轴流压气机中进行涡量动力学分析,从涡量角度指出了改进的方向.结果表明:周向涡量能反映近壁面的高损失区,使周向涡量峰值束缚在近壁区有利于降低端区损失,在通流设计中可通过优化环量分布控制周向涡量分布,算例中基于周向涡量优化可使跨声压气机转子效率提高1.13%;边界涡量流BVF能反映旋涡的壁面根源,通过优化BVF的分布可控制涡量壁面根源,有利于抑制旋涡和流动分离,基于BVF优化可使转子效率提高1.12%.      

接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响

通过对波瓣混合器的数值计算,研究了接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响.计算结果表明:主次流的接触面积越大,波瓣混合器的引射性能就越好,引射比随波瓣周长比的增加而线性递增.同时,流向涡的强度越大,波瓣混合器的引射比也越大,引射比随量纲一流向涡强度的增加而先快后慢增加,两者之间是指数的关系.当波瓣张角未导致气流分离时,主喷管出口的流向涡角动能随波瓣张角的增加而先慢后快增加,两者之间是抛物线的关系.而且,波瓣张角的增大不仅可以增加流向涡的涡量,还可以扩大流向涡的分布区域.      

喷管加装小突片强化射流混合的PIV测量

在常温、超声速流动状态下,采用PIV技术定量测量了收敛喷管和收扩喷管加装小突片时射流纵截面的速度场和涡量场,并对其速度场和涡量场进行了比较。结果表明,对于收扩喷管,虽然其速度边界层厚度明显大于收敛喷管,但加装小突片结构也能够明显的强化射流的混合。并且发现,小突片结构不仅能产生流向涡,而且对周向涡有明显的强化作用。