超声速高温冲击射流注水流场实验研究

为了降低发动机羽流冲击流场的温度,减弱其对发射装置的冲击和烧蚀作用,对超声速高温冲击射流的注水流场开展了实验研究。通过高速摄影和红外热像仪两种非接触式测量设备对无注水和注水两种状态下的冲击流场进行了对比拍摄,并且使用热电偶对底板冲击区的温度进行了测量。对注水两相冲击流场的结构和温度场分布进行了深入分析和研究,并与无注水状态下流场进行对比,得出了通过注水方式可以减少核心区长度和面积,降低迎气面温度,减弱其热冲击烧蚀效应的结论。     

超声速流场中侧向射流的数值研究

通过数值方法研究拱柱体上侧向射流与超声速来流的相互干扰,为侧向射流喷管出口横截面几何形状的设计提供依据,实现高速飞行器机动飞行的姿态控制。采用多块嵌套网格并行算法,数值求解Navier-Stokes方程以及k-ω湍流模型,分别对四种不同横截面形状(相同面积的圆形、椭圆形、楔形以及倒置楔形)的射流喷管出口形成的流场进行了研究。圆形喷管出口的流场数值计算结果与实验结果相一致,表明本文采用的数值方法可靠以及网格分布合理。对比物面压力分布和射流干扰放大因子发现,对于长轴与来流垂直的椭圆形喷管出口,在射流上游一侧的物面附近形成较大的分离区以及较强的激波,由此产生的高压区有利于侧向射流对飞行器姿态的控制。     

超声速进气道流场和边界层计算

对设计马赫数为3.5的混压式进气道,在小迎角下作了流场和边界层计算。用内激波捕捉法计算无粘流场,用积分法计算层流和湍流边界层。结果和实验数据以及特征解一致,边界层位移厚度也合理。     

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性

为研究水下超声速过膨胀燃气射流的流场特性,在压力水筒中开展了大扩张比锥形喷管的固体火箭发动机水下点火实验,并基于雷诺时均Navier-Stokes（RANS）方法和流体体积（VOF）模型进行数值求解,分析了过膨胀燃气射流与水介质的相互作用过程。研究表明：超声速过膨胀燃气建立射流通道后,射流核心区长度随喷管落压比的减少而减少;射流核心区剧烈振荡,表现为高频的膨胀和收缩,振荡频率随喷管落压比的减小而增加,范围为100~200 Hz;射流边界不断振荡,并伴随波系结构变化,当过膨胀程度较大时,激波进入喷管使其发生流动分离现象,流动分离点周期性往复移动;分离区内压力脉动没有显著的特征频率,主要集中在100~600 Hz的宽频带,锥形喷管水下流动分离的简易判据为喷管出口压力不低于环境背压的0.44倍。     

超声速湍流导管烧蚀流场稳定性研究

对超声速湍流导管烧蚀流场进行理论计算,选取了初始面积比为2.0和3.0的超声速导管,得到了在绝热指数为1.1、1.2和1.3三个典型状态下总焓、马赫数、导管内压力、静焓及恢复焓随导管截面积加大的计算结果。研究表明:试验过程中总焓不变,但由于试验材料烧蚀导致导管的截面积加大将引起其余流场参数的变化,马赫数随导管的截面积加大而加大,其余参数随导管的截面积加大而降低,在导管截面积增大20%时,马赫数增幅在9%以内,导管内压力降幅在20%以上,静焓降幅在8%以内,恢复焓降幅在1%以内,绝热指数的上升将引起导管参数增幅或降幅加大,初始面积比加大,将引起导管参数增幅或降幅减小。     

扩张型面内超声速气流中液体横向射流穿透深度试验研究

面向未来冲压旋转爆震发动机应用,本文设计了带隔离段及等直燃烧室的矩形带扩张型面,开展常温常压吸气式超声速风洞中的液体横向射流试验,借助高速摄影、阴影方法研究来流参数、喷孔参数对喷注雾化穿透深度及液雾扩展效果的影响。研究表明：隔离段到燃烧室的过渡构型在气相流场中产生了较强的膨胀波和压缩波,直接扰动射流的二次雾化,液体射流破碎、雾化和液雾掺混的过程受到影响。总温总压一定时,来流马赫数增大、喷注压降增大均可提高液气动量通量比,从而增大射流穿透深度。同样的穿透深度情况下,利用小喷孔高压降喷注方式可以较为明显地减小激波角度。与增大孔径相比,同样的流量条件下增大射流压降可有效增加穿透深度提升程度,获得更好的液雾掺混效果。     

超声速气流中液体横向射流雾化破碎模型改进

为研究超声速气流中液体横向射流的雾化过程,根据可压缩条件下线性稳定性分析解推导出的不稳定增长率和波数间的色散关系,对KH/RT模型进行了改进,并调整了离散相液滴的追踪算法,利用改进的KH/RT模型对1.94Ma气流条件下水横向射流过程进行模拟。研究表明,数值模拟中液滴的实际追踪数对计算结果有较大影响,而改进的液滴追踪算法有效增加了液滴数,提高了计算准确性;改进的KH/RT模型扩大了Weber数的适用上限至4000,可用于超声速流场;利用改进的KH/RT破碎模型得到的液雾穿透深度与试验测量结果基本一致,而液雾展向和近壁区的分布与试验有一定差异。     

超声速主流中逆向喷流流场的数值模拟

本文在差分格式NND-2基础上^[1]，提出了一个修正格式，形式简单，应用方便。从薄层近似的NS方程出发，用该格式计算了超声速主流中存在逆向喷流的钝体绕流的粘性流场，成功地捕捉到流场内的各种波系和涡系结构。计算的结果与文献[2]中的实验结果比较表明二者符合很好。     

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。     

超声速气流中液体燃料雾化数值模拟

为了模拟超声速气流中液体射流的雾化,发展了一种液滴破碎混合模型。该模型将Kelvin-Helmhotz(K-H)模型和Rayleigh-Taylor(R-T)波动模型耦合在一起,首先计算R-T波增长模型,当R-T模型不能导致液滴破碎时,然后计算K-H波增长模型。利用该模型对来流Ma=1.94的超声速气流中的水射流的雾化进行了数值模拟。模拟结果再现了超声速气流中射流的雾化结构,计算得到的射流穿透深度、颗粒直径分布和速度分布与实验结果吻合较好。     

两种雾化模型在横向流雾化数值模拟中的应用

通过对横向气流中燃料雾化的数值模拟,分析了两种常用的雾化模型TAB(Taylor analogy breakup)模型和Reitz波不稳定性模型中的经验参数变化对模拟结果的影响,为合理使用这两种雾化模型提供了参考.对雾化过程的模拟结果与实验结果的对比分析发现:虽然TAB和Reitz波模型都能对穿透深度进行很好的预估,但从液滴分布、SMD(Sauter mean diameter)和液滴速度等具体参数的计算结果来看,TAB模型的计算结果优于Reitz波模型,更适用于相关计算,并给出了适当的TAB模型的经验参数取值.最后,用TAB模型在相同经验参数下对不同燃料喷射速度的工况进行了计算,得到了满意的结果.这种先用实验数据校准经验参数,然后用校准后的经验参数计算相关未知结果工况的方法可以应用在今后的预估计算和研究中.      

Review of atomization mechanism and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow

The injection and atomization process of a liquid fuel jet is critical for an ignition start of a scramjet engine. Airwall-mounted crossflow injection strategy is widely used in scramjet combustors, avoiding high total pressure loss and allowing the liquid fuel to rapidly undergo atomization, mixing, and evaporation. In this review, research progress on a liquid jet in supersonic crossflow was evaluated from aspects of atomization mechanism and spray characteristics. When a liquid jet is injected into a supersonic crossflow, primary and secondary breakups occur successively. The surface instability of liquid can significantly affect the breakup process. This review discusses the current understanding of the breakup process and spray characteristics of a liquid jet in supersonic crossflow including the mechanism of atomization and the characteristics of distribution and atomization. The development of windward Rayleigh-Taylor (R-T) unstable waves is the main factor in column breakup. The development of Kelvin-Helmholtz (K-H) unstable waves along the circumferential direction of the jet or droplets is the main factor of surface and droplet breakups. The liquid–gas momentum ratio is the most important factor affecting the penetration depth. The span width of the liquid jet is affected by the windward area. Breakup and coalescence lead to a transformation of the size distribution of droplets from S- or C-shaped to I-shaped, and the velocity distribution of the droplets on the central symmetry plane has a mirrored S-shape. The droplet distribution on the spanwise cross-section retains a structure similar to an “Ω” shape. At last, some promising recommendations have been proposed, namely a theoretical predictive model which can describe the breakup mechanism of a liquid jet, the distribution characteristics and droplets size distribution of a liquid jet under a cavity combustion chamber, especially for enthalpy flows with complex wave structures.     

超声速气流中凹腔对液体射流穿透深度的影响

采用高速摄影对凹腔上游液体垂直射入超声速气流中的穿透深度展开了试验研究。进行了不同喷注位置和液气动量通量比条件下,平板射流和带凹腔射流的试验,研究了凹腔对射流穿透深度的影响。试验发现,射流穿透深度在凹腔前缘降低,射流边界曲线向凹腔内弯曲;射流穿透深度在凹腔后缘增大。凹腔对射流液雾的卷吸作用使穿透深度降低,剪切层撞击凹腔后缘形成的高压波传递使得穿透深度在后缘增大。减小液气动量通量比是增大凹腔对射流卷吸作用的途径之一。喷注在凹腔上游3倍凹腔深度的距离上,凹腔对穿透深度降低最大。      

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.      

基于双流体模型的超声速两相横向喷射流场研究

对两相超声速横向喷射试验进行了数值模拟.采用双流体两相流模型,在不同直径液滴和不同动压比条件下分别对两相超声速横向喷射流场进行了计算.结果表明:雾化液滴直径和喷射动压比对液体的横向穿透深度影响很大;雾化液滴直径的大小或者动压比的大小对喷口下游流场的影响区域是不同的.数值模拟结果与试验结果符合良好,为进一步的研究打下良好基础.      

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

有/无凹槽通道内煤油超燃雾化的测量研究

为研究超燃流场中雾化煤油液滴直径分布,针对有/无凹槽(L/D=3)直通道,对煤油在超声速气流中的雾化过程进行了测量。利用纹影法得到雾化流场波系结构,利用平面激光诱导荧光(PLIF)得到煤油扩散范围,基于激光前向散射原理的激光粒度仪,得到液滴直径分布。结果表明,当来流和喷射条件相同,平板通道内的煤油射流穿透深度略大于凹槽通道。液滴直径呈在截面中心小、外侧大趋势,沿外侧的液滴直径波动较中心区大。煤油距喷口30 mm处已完成雾化,雾化区的液滴Sauter直径为4~8μm,凹槽对煤油穿透深度和雾化尺寸无明显贡献。     

煤油在超声速气流中非定常横向喷射的实验观察

本文目的是研究煤油在超声速气流中非定常横向喷射问题,并与静止和亚声速气流中的结果进行对比。改造普通油嘴并采用单次高压燃油喷射系统,得到不同延时的流场阴影照片。结果表明：在超声速气流中,射流柱破碎是由迎风面的表面波引起的,破碎点位于表面波的波谷。雾化过程过分四个区域。射流激波由近射流柱的迎风面,并在人壁反射,非定常喷射的波系演化复杂。煤油在亚声速气流中喷射,不存在射流激波,破碎点沿射流柱上移,穿透深