幂律流体撞击射流破碎机理的实验

通过自行研制的撞击射流系统,采用高速摄像技术,对4种不同卡波姆质量分数剪切变稀的卡波姆凝胶非牛顿幂律流体在不同射流条件下撞击液膜的破碎模式、喷雾锥角、破碎长度进行实验与分析.结果表明:不同流变特性的幂律流体出现的破碎模式不同,黏度越高,破碎模式越复杂;4种卡波姆凝胶在韦伯数为8000左右时,达到完全发展模式,并在韦伯数为8000左右时表现出相似的破碎特性;随着韦伯数的增大,喷雾锥角逐渐增大并趋于稳定,稳定值小于撞击角度,当卡波姆质量分数增大时,最大喷雾锥角逐渐减小,最终收敛于60°;随着韦伯数的增大,4种卡波姆凝胶的破碎长度先小幅变大然后减小,理论结果与实验结果整体趋势相似.      

高温高速气流中航空煤油横向射流实验研究

横向射流是航空发动机加力燃烧室中常见的煤油掺混组织方式。本文使用激光诱导荧光（PLIF）技术,在加力燃烧室的工况条件下,对航空煤油横向射流过程进行测量,研究了液气动量比、气体雷诺数、气体韦伯数对射流深度的影响。通过自编程序对煤油PLIF结果进行处理,获取了横向射流的射流深度。进行了空气来流温度303～1100K,气流速度100～300m/s,液气动量比9～843,气体雷诺数357～4863,气体韦伯数61～716内射流深度的测量。结果表明,射流深度随动量比的增加而显著增大;气体雷诺数的增加增强了动量比对射流深度的影响;射流深度随气体雷诺数的增加而增大,但增大程度随气体雷诺数的增加而减小;射流深度随着气体韦伯数的增加而减小,但气体韦伯数对射流深度的影响相对次要。通过对实验数据的拟合,获得了无量纲射流深度关于无量纲轴向距离、动量比、雷诺数以及韦伯数的经验公式。     

燃油射流横流穿透深度试验和数值模拟

采用激光粒子成像测速仪(PIV),试验研究了不同动量比下燃油射流在横向空气流中的穿透深度特性。同时,采用数值计算方法,对射流穿透特性进行了模拟,并将试验和计算结果,分别与已有的经验关系式,及考虑气动韦伯数影响修改后的关系式进行对比。结果表明:燃油射流上边界深度与幂指数关系式较吻合;采用VOF两相流模型能较准确地模拟出燃油射流的喷雾核心深度;修改后的关系式与不同燃油-空气动量比范围下的喷雾核心深度较吻合;燃油-空气动量比和气动韦伯数,是影响燃油射流横流穿透深度的主要参数。     

流向强迫作用下的液体初始雾化机制及动力学特征

使用Volume of fluid (VOF)方法和基于树形数据结构的自适应算法来研究射流雾化的破碎过程以及扰动对射流破碎机理产生的影响。在无扰动情况下,液体射流的头部、液丝和液滴随着射流时间的发展不断发生演变。射流头部先呈现蘑菇状外形,随后液丝生成,并慢慢转变成网兜状,直至断裂形成小液滴。在周期性流向强迫的作用下,射流液柱的表面会形成周期波,其液丝破裂形成液滴的时机与稳定射流情形相比会有所提前,射流形成的头部更趋于扁平,最终生成的液滴数量更多。低中频阶段,随着扰动频率的增大,射流未扰动液柱长度(L)逐渐缩短,液滴直径的概率密度分布(PDF)趋于尖锐,液滴平均直径(SMD)增大。在高频阶段,随着扰动频率的增大,L会随之增大,液滴直径的PDF分布变得平缓,SMD会减小。     

气液交叉射流动力学行为的基础研究

为了模拟燃油在高速喷嘴内的快速蒸发混合过程,基于Eulerian—Eulerian方法,用RNGk一8湍流模型建立了高速喷嘴内两相流流动的数学模型,数值模拟了高速喷嘴内气液两相交叉射流的流动规律。改变气液动量比和韦伯数等条件下的两相流场计算结果表明：动量比增大3倍时横向穿透深度略有增大;而较大的韦伯数能起到强化横向射流的破碎效果。计算结果与同条件下的试验结果相符合。结果为研究HiTAC快速速喷嘴内可燃混合气的快速形成奠定了基础。     

高超声速流场对自由流扰动波响应及边界层扰动波演化

采用高阶精度有限差分方法直接数值模拟了来流慢声波作用下的钝锥高超声速绕流瞬态流场,分析了自由流扰动波与流场的相互干扰,并应用Fourier频谱分析了边界层扰动波时域和空域演化.结果显示:弓形激波出现连续的“∽”变形,初始扰动被显著放大,边界层内外扰动模态存在明显差别.从空域(沿流线)演化来看,在球头附近低频扰动为主导模态,出了球头区,总扰动模态中的低频和高频成分比例迅速转变,高频模态成分显著地增大.至流场下游,大部分低频分量衰减,或者不再增长,边界层内仅存在特殊频率的不稳定波快速增长.从时域演化来看,比起其他模态,主导模态的发展对上游激励的依赖更大.无论时域还是空域演化,都存在模态竞争现象.      

不同来流附面层特性下端壁射流对弯曲叶栅内流场的影响

给定不同型式的来流附面层,采用数值模拟方法,旨在讨论变来流附面层特性下端壁射流式旋涡发生器对于弯曲扩压叶栅内流场的影响。结果表明,对于正弯叶栅,射流可有效减弱其吸力面上的流动分离,随着来流附面层变厚或附面层内总压亏损的增加,原型叶栅角区内的分离范围逐渐增加,因此提供给射流改善流场的空间也相应增大,损失降低程度由2.3%提高到8%。在反弯叶栅当中,射流作用之后,在零附面层来流条件下,角区内的分离范围减小且损失降低了9.1%;随着来流附面层增厚,在分离范围降低的同时,吸力面上的集中脱落涡也相应消失,因而损失降低程度增加到了12.5%。此时,随着来流附面层条件进一步恶化,射流对于流场的作用效果基本保持不变,这说明针对本文给定的射流参数,端壁射流对于反弯叶栅内流场的改善程度已达到极限。     

剪切气流中无黏液体横向射流破碎机理

航空发动机燃烧室中,液体燃料的雾化过程、特别是初始雾化过程非常复杂,至今无法建立准确的初始雾化模型。忽略液体射流黏性,采用线性不稳定性分析法对无黏液体（工质为水）在二维剪切横向气流中的破碎机理进行研究。通过建立射流的色散方程,根据其表面波的增长率及波数的发展情况对射流破碎进行预测。当气体韦伯数或液体韦伯数增大时,射流表面波增长率显著增加,最佳波长明显减小。液气动量比大于临界值时,Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性占主导作用;反之,Rayleigh-Taylor （R-T）不稳定性占主导作用。二维剪切气流在射流方向上具有速度梯度,只改变横向气动力对射流表面波的作用。气体韦伯数与液体韦伯数对射流破碎的作用与均匀气流相似;保持气流流量相同时,负梯度剪切气流可以加速射流的破碎。     

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。     

液氧/甲烷同轴喷雾及火焰稳定的试验

介绍了液氧和气态甲烷的低温同轴喷雾燃烧试验,试验使用了光学诊断方法如阴影法和火焰分光光谱法记录了试验中的喷雾和火焰信息,讨论了不同燃烧室压力和喷注无量纲数如韦伯数(We)和气液动量流率比下的雾化和火焰稳定情况。试验结果表明,燃烧室压力对射流雾化和火焰稳定有显著影响,增加燃烧室压力有利于火焰稳定于靠近喷注器面的地方,研究中没有发现火焰吹离距离和韦伯数之间有明显的关系式。液氧射流核心长度随气液动量流率比的增大而下降。雾化质量对液氧/甲烷同轴喷雾的火焰稳定性有明显的影响。     

尾缘合成射流影响翼型非定常气动特性的数值研究

为了实现飞行器新型动态特性控制,提出了一种基于尾缘的低频大功率合成射流致动器的设计方案。通过数值方法对该尾缘合成射流工作下的NACA0012翼型的非定常流场进行了模拟。研究了不同开口形式,喷流动量系数和减缩频率对翼型的升力、阻力和力矩特性的影响。研究表明尾缘处低频大功率合成射流激励能有效改变翼型的升力和力矩特性,动量系数的增加会增大升力和力矩系数的最大值,而减缩频率的增加会使升力和力矩系数的最大值减小,且翼型气动特性系数的滞后角也会随减缩频率的增加而增大。     

黏性液体横向射流破碎机理

航空发动机中液体燃料雾化过程十分复杂，特别是雾化初始阶段，至今无法建立准确的雾化模型。本文利用线性不稳定性分析法研究均匀气场和二维剪切气场中，不同黏性液体横向射流破碎过程。在圆柱坐标系下，建立有黏液体横向射流色散方程，利用Muller法求解得到射流表面表面波的不稳定增长率随波数的变化情况。当来流为均匀气流时，考虑液体黏性影响，射流表面扰动波增长率的减小量与增长率的比值较不考虑黏性时的至少增大1 000倍。黏性对Kelvin-Helmholtz (K-H)和Rayleigh-Taylor (R-T)不稳定性均起到削弱作用，抑制了射流破碎，且表面波波数越多，黏性对破碎的抑制作用越强，但并不影响射流的不稳定波数范围。当黏性系数增大500倍时，表面波最大增长率降低80.37%,最佳波数减小40%,黏性力对表面波的抑制作用十分明显。横向来流为二维剪切气流时，横向气动力和剪切速度促进液体射流表面波生成进而产生破碎，而液体的表面张力和黏性力则会抑制表面波生成。液气动能比越大，气流剪切作用对射流不稳定性的影响越大，K-H不稳定性主导射流表面波的生成。进一步研究液体黏性对射流不稳定性的抑制作用，发现黏性...     

吸气-振荡射流激励器振荡特性

高效的振荡射流系统需要振荡特性优良的激励器,这要求减少激励器内流损失以提高出流流速、减少射流在0°偏角处的停滞时间以利于在流场中产生非定常旋涡、增大射流偏角以增大控制范围、有效调节振荡频率以接近最优控制频率。现以能大幅减少引入高压气源气体流量的吸气-振荡射流激励器为研究对象,通过数值模拟研究了不同几何外形激励器的起振、出流和频率特性。结果表明：只有当扣除射流宽度后的喉道高度大于反馈通道宽度的1.2倍,且反馈段长度足够、扩张角大小合适时,射流才会稳定振荡,并能与扩张段壁面相切;截短扩张段可使出口处射流中心速度提高67.3%;减小扩张段内分离涡的长宽比最大可使射流扫掠角达到±110°;改变反馈通道的宽度和长度会通过改变通道内通流面积和沿程损失以改变流量,从而影响频率。     

局部凸起对可压缩平板边界层稳定性的影响

在采用直接数值模拟(DNS)方法计算得到来流马赫数为4.5的带局部凸起的可压缩平板边界层基本流的基础上,基于线性稳定性理论(LST) 进行稳定性分析,通过求解扰动方程研究了不同频率的扰动波与不同高度的局部凸起的相互作用,定义了穿透系数来研究局部凸起对流动稳定性的影响.研究结果表明:当局部凸起高度小于0.2个边界层厚度时局部凸起对来流的影响是局部的;局部凸起使频率小于最不稳定波频率的扰动波更不稳定,对频率大于最不稳定波频率的扰动波有稳定作用,其中最不稳定波频率是指局部凸起中心位置处平板边界层中第2模态最不稳定波的频率;穿透系数定量刻画了局部凸起对稳定性的影响,高度为0.2个边界层厚度的局部凸起引起e-N方法中N值的修正量达到0.8,接近转捩位置处N值的10%,在转捩预测中必须考虑.      

基于射流的涡轮平面叶栅流动控制数值模拟

通过数值模拟方法研究了襟翼射流对涡轮叶栅流动的控制,给出了从某型涡轮叶片压力面尾缘附近由面积为0.785 mm2的矩形射流喷口喷射不同流量射流,对不同流动状态下涡轮叶栅流动的影响效果。结果表明,射流襟翼能够有效控制通道内的主流流量和流动方向;当射流流量达到主流流量的4%时,在三组雷诺数下主流流量平均减少了12.57%,气流转折角平均增大了4.82%;随着射流流量的增大,叶片载荷系数有所降低,同时总压损失会增大。     

喷口速度扰动下液体射流的频率响应

基于界面捕捉VOF(volume of fluid)方法和网格自适应技术,对圆射流初始破碎过程进行了直接数值模拟,揭示了不同扰动频率对圆射流表面形态和液丝、液滴结构的响应特性。研究结果表明：Rayleigh线性化色散理论可以很好地对当前射流表面波的失稳过程进行解释。当喷口扰动频率（66.6 kHz）小于理论临界值95.5 kHz时,射流会随着时空演化逐渐失稳,而当大于临界值时,表面波振幅会逐渐减弱并逐渐变成光滑状态。表面波不稳定状态下脱落液滴会撞击波节结构,在其表面留在冲击凹痕;随着波节振幅不断增大,液膜发生穿孔式破裂,进而形成大量脱落的液丝和液滴结构。适当频率的扰动可以减少射流头部的速度波动,从而减缓射流的雾化进程;射流表面波的破碎和液核头部的破碎过程共同决定了喷雾场SMD(Sauter mean diameter)的大小,且两者存在相互耦合。     

间隙高度对自发射流抑制叶尖泄漏的影响

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了单孔叶尖自发射流条件下不同叶顶间隙的叶栅流场,对比分析了间隙高度对自发射流与叶尖泄漏流相互作用特性、叶尖泄漏流量以及叶片载荷的影响.结果表明:当叶顶间隙高度为1mm(t/H=0.5%)时,自发射流对泄漏流有明显的阻挡作用,泄漏流量比减少0.06%,同时叶片载荷增加1.39%.当叶顶间隙高度增大到4mm(t/H=2%)时,自发射流的阻挡作用及对叶片载荷的增加作用基本消失;减小间隙高度可以有效提高自发射流的控制效果,同时降低因分离造成的流动损失;自发射流的存在显著改变了间隙流场分布及叶尖吸力面附近静压系数分布,计算发现当泄漏流绕自发射流流过时,下游流场出现类似卡门涡街的涡分布现象.      

进口扰动波对二维叶栅气动性影响的数值模拟

以某型航空发动机叶轮机为研究对象,采用了周期性边界条件和spalart-allmaras湍流计算模型,通过数值模拟,研究了进口扰动波对二维叶栅气动性能的影响,结果表明:随着扰动振幅和扰动频率的增大,叶栅通道的总压损失系数均变大。     

液体射流撞击液膜振荡行为的实验研究

液体射流撞击过程是液体火箭发动机常见的高效雾化方式。为了进一步探究液体射流撞击雾化过程,采用高速摄像仪和图像处理技术对两股液体射流撞击液膜的振荡行为进行了实验研究,考察了射流韦伯数(21≤We≤1356)和撞击角(2θ=60°,90°,120°)对液膜振荡的影响。结果表明,随着射流韦伯数增大(We250),撞击液膜会从竖直稳定模式转变为振荡模式,促进液膜破裂和雾化。增大撞击角能加剧液膜振荡和增加雾化角。2θ=60°和90°的液膜振荡区间为250We400,2θ=120°的液膜振荡区间为We250,无量纲振幅的时均极大值约为5。结果揭示了随着液体射流速度的增大,射流不稳定性的发展会引起撞击点的动量不平衡,进而形成液膜振荡。此外,液膜向下传播时与空气界面间的Kelvin-Helmholtz不稳定性也促进液膜振荡。     

低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟

非牛顿射流的撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛用于燃料的喷注雾化,然而人们对其破碎物理机制却知之甚少。本文将采用基于液体体积法的直接数值模拟(DNS)工具,研究夹角为90°的2个等直径低韦伯数射流撞击现象,并分析二者形成的单一对角射流特征及其破碎机理。研究结果表明,撞击形成的单一对角射流直径较原射流直径大1.66倍,并在头部形成液滴诱导破碎的发生。除了头部破碎,在对角射流的发展过程中还观察到一类液柱破碎,表现为射流表面不稳定波不断发展形成新的弯曲波破碎,并产生卫星液滴及液滴的融合。伴随两股射流撞击的发生,气液两相交界面的面积也不断减小,同时,射流内部的黏性也不断变化,在本文的低雷诺数和低韦伯数条件下,流体内部黏性系数变化超过10%。