超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

超声速来流与侧向射流作用下的三维流场结构

研究超声速流动与侧向射流作用下的三维流场结构对飞行器表面流体分离控制以及超燃发动机燃料混合等具有重要作用。基于大涡模拟(LES)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=4,平板上侧向射流的流场结构特性进行了数值模拟。模拟结果表明,流场内的主要波系由弓形激波、分离诱导的激波以及桶形激波组成,这与相关实验结果相符。同时,计算结果还清晰显示了射流与主流相互作用下,射流上游的分离区流动呈现高度瞬态特性,分离区内旋涡结构不断变化,数目由2个到4个再到6个不断发展,平板表面流线复杂。射流尾涡摆动,涡管上扬,呈现非定常特性。     

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。     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

高雷诺数湍流横侧射流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究横向主流与壁面射流均为高雷诺数的壁面横侧射流(JICF),采用动态Smagorinsky涡粘模型对亚格子尺度进行封闭。数值模拟结果中,近场和远场的平均速度、均方根值均与实验结果符合很好。瞬时压力等值面在射流迎风侧与射流迹线成正交关系,表明JICF近场迎风涡是由于射流出口上游剪切层Kelvin Helmholtz不稳定性引起的。基于长度尺度RD,Broadwell和Breidenthal提出了射流迹线公式,通过拟合数值模拟结果得到公式中常数A=1.35,B=0.3。采用平均流线、平均场涡量与Q准则分析三维涡旋结构。横向主流遇到射流后发生夹带现象,在射流出口下游受涡旋结构的影响发生卷起;平均涡量等值面表明,反向旋转涡对(CVP)的涡旋方向与射流出口下游马蹄涡两个分支的涡旋方向相反;由于横向主流和射流雷诺数较高,Q准则表征的涡旋结构在射流出口下游一倍射流直径位置开始发生破碎。     

超声速主流中横向喷流场的激波—旋涡结构的数值模拟

本文利用NND格式,通过求解NS方程,对二维超声速主流中横向喷流干扰流场进行了数值模拟,计算清楚地给出了激波结构、回流区和混合层。本文计算得到的激波结构和实验相当一致。最有兴趣的是由于喷流的干扰,主流在喷口前发生主涡分叉,观察到三个流向旋转涡和两个反流向旋转涡;在喷口后的背风区,存在具有低压和回流区的尾迹。     

超声速串列转子三维流场数值分析

为了揭示超声速串列转子流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对超声速串列转子的流场进行了数值模拟。结果表明,超声速串列转子可以实现激波增压和气流折转增压的联合应用。串列转子前后排叶片的相互干涉导致后排叶片前缘形成脱体激波,引入了一定的激波损失;前排叶片65%～75%叶高范围内近压力面低速流体区的存在一定程度上限制了后排叶片的增压能力;转子通道内叶尖泄漏流、通道激波和机匣附面层的相互作用造成转子前后排叶片叶尖处的气流落后角增大;串列转子出口静压的升高将削弱转子内结尾激波强度,提高转子气动效率。     

超声速流动中横向射流流场的影响参数

采用高精度的Weighted ENO格式，结合两方程湍流模型，准确模拟了二次射流形成的干扰流场，详细地描述了平板上单股射流干扰流场和喷管扩张段二次射流干扰流场中的激波、流动分离和旋涡运动，同实验结果进行了比较。探讨了射流／主流总压比、射流宽度。以及射流与来流夹角对射流穿透深度、分离距离等影响，揭示了二次射流推力短量控制干扰流场的控制机理。     

菱形孔射流在超声速流场中的气动特性

针对带有横向射流的三维超声速流场进行数值模拟,分析了菱形结构喷孔与普通圆孔的差异,并探讨了不同喷射角度下菱形喷孔对流场的影响.研究结果表明:与普通圆孔相比,采用菱形孔射流能够减弱弓形激波的强度、降低总压损失,增加燃料的穿透高度,但是在展向方面两者对于燃料的扩散能力基本相同;随着喷射角度的增加,燃料的穿透高度表现出先增加后降低的趋势,在计算的3种模型中,喷射角为60°表现出更好的特性;喷射角度在一定范围内变化时,总压损失的改变不明显,但是过大的喷射角度会导致总压损失迅速增加.通过研究进一步认识了菱形孔射流的流场特性,为优化喷射装置提供依据.      

超声速气流中横向气体射流混合经验模型

为了获得适用于工程估算的射流穿透经验关系式,对射流中心迹线、穿透边界及喷注物展向分布特性进行模化处理,建立了描述超声速气流中横向气体射流混合经验模型,并通过系列实验观测结果对该模型有效性进行验证.结果表明:在较宽的动量比范围内(动量比为0.5~5.3),该模型预测的射流中心迹线和穿透边界均与实验图像吻合较好,在射流中心迹线附近,该模型预测的喷注物摩尔分数与实验测量值相比误差在5%以内,精度优于现有模型.随着动量比的增大,在喷孔下游一定区域内,射流引起的反转旋涡对增强,导致该模型对展向摩尔分数分布的预估产生一定误差,表明该模型的适用范围与动量比和下游距离等因素相关.      

三维超声速不等密度平面混合层的小激波形成与演变

基于大涡模拟方法与高精度混合格式,对两种密度比(1.0与0.138)条件下的高对流马赫数(Mac=1.1)三维空间发展超声速平面混合层进行了数值模拟。数值结果清晰描述了扰动激励下超声速平面混合层的演变过程,讨论了三维混合层中小激波的结构及其形成过程。分析了混合层两侧密度变化对混合层失稳及小激波形成的影响,发现当上、下层密度不等时,混合层失稳加速,小激波强度减弱,而密度较低侧的小激波会更弱。     

激光多普勒测速方法研究超声速冲击射流

在超声速射流噪声的产生中，喷嘴出口的激波栅格结构有关键的作用，激波栅格的间距是推测激波噪声基频的基本参数。应用激光多普勒测速方法对对缩喷嘴欠膨胀射流垂直冲击平板的流场进行了测量，获取了射流轴线上的速度分布，从该轴线速度的起伏推算出自由射流段的激波栅格间嘘民前人用接触测量方法得到的经验公式基本一致，但是比该经验公式值低5％以上，表明由该接触测量所得的经验公式描述的激波栅格间距可能大于实际的激波间距。     

连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理研究

为研究连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理,在喷口间距为70mm,不同入射压力的条件下进行了自由射流对撞、二维凹面腔内的射流对撞及三维凹面腔内的射流对撞诱导激波聚焦实验。通过对比自由射流对撞辐射啸声频谱和凹面腔内射流对撞中凹面腔底部的动态压力频谱,结合纹影照片对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的机理进行了研究。结果表明,沿射流对撞面两侧的椭球形激波阵面的高频拉锯式振荡是连续射流对撞诱导激波聚焦的本质。当两侧的波阵面同时到达凹面腔底部发生碰撞时,激波聚焦得以完成;在一定的入射压力范围内,由于射流对撞面不稳定,两侧椭球形激波阵面不能同时到达两喷口中间的对称面,因此在自由射流对撞的辐射噪声频谱上共存两种模式的啸声。在凹面腔内的射流对撞中,凹面腔底部的压力脉动频谱上也同时存在两个频率十分接近的峰值;随着入射压力的进一步提高,两侧的椭球形激波阵面经过一段时间的协调同步后同时到达喷口中间的对称面,辐射噪声和压力脉动频谱中双频率值共存的现象消失,并统一为单一值。     

方孔横向射流的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法,对射流雷诺数ReD=4700、吹风比R=1.5的方孔横向射流进行了计算,为处理完全三维的复杂流动,亚格子模型使用了局部平均的动力模型.通过对时间平均流场的分析,了解了射流的穿透、扩散性质以及肾形涡的形成原理;而瞬态流场的时间演化序列则揭示了大尺度相干结构在流场演化中的主导作用.计算结果表明:使用局部平均动力模型的大涡模拟方法健壮性好,具有较高的数值精度,能够准确给出方孔横向射流的复杂流动图画,适合进行这类复杂流动问题的机理研究.     

基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。     

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。     

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。