连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究

连续旋转爆轰发动机（CRDE）中燃料和氧化剂的快速掺混是实现爆轰波成功起爆和稳定传播的重要前提,然而目前国际上关于这方面的研究还相对较少。本文采用大涡模拟（LES）方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂的流动现象,其中由于Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置对非预混CRDE的流场结构和混合特征的影响,发现氧气喷注位置会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。与其他进气位置相比,氧气在靠近内壁面喷注时更有利于氢/氧的快速掺混。     

A novel method of utilizing static mixer to obtain mixing homogeneity of multi-species powders in laser metal deposition

Real-time mixing of multi-species powder challenges Laser Metal Deposition (LMD) of Functionally Graded Materials (FGMs). The current work proposes a novel method of using a static mixer to realize rapid, uniform multi-species powder mixing. Firstly, copper powder and 316L stainless steel powder are selected to complete the powder mixing observation experiment with Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive Spectrometer (EDS). Secondly, computational fluid dynamics and particle mixing simulation models are used to analyze the flow field and particle motion characteristics in the static mixer. Finally, LMD experiment and metallographic observation are carried out with 316L stainless steel powder and WC powder to verify the feasibility of the static mixer. This study provides a theoretical and practical basis for powder mixing in laser processing with a static mixer. The conclusions can also be applied to other processing fields requiring real-time and uniform mixing of multi-species powders.     

尾缘锯齿修形对波瓣强迫混合排气系统性能影响

针对某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统建立了尾缘锯齿修形流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了不同尾缘锯齿修形波瓣强迫混合排气系统流场的演变规律和热混合效率、总压恢复系数的变化规律.结果表明:在强迫混合排气系统出口截面处,热混合效率随修形量的增加而增大,总压恢复系数随修形量的增加而减少.1个三角形(1-SJ)锯齿修形模型的热混合效率最大,达到79.73%;2个梯形修形(2-TX)的综合效果最优,其热混合效率达到77.50%,总压恢复系数比1-SJ高出0.5%.      

Linear stability analysis of interactions between mixing layer and boundary layer flows

The linear instabilities of incompressible confluent mixing layer and boundary layer were analyzed.The mixing layers include wake,shear layer and their combination.The mean velocity profile of confluent flow is taken as a superposition of a hyperbolic and exponential function to model a mixing layer and the Blasius similarity solution for a flat plate boundary layer.The stability equation of confluent flow was solved by using the global numerical method.The unstable modes associated with both the mixing and boundary layers were identified.They are the boundary layer mode,mixing layer mode 1 (nearly symmetrical mode) and mode 2 (nearly anti-symmetrical mode).The interactions between the mixing layer stability and the boundary layer stability were examined.As the mixing layer approaches the boundary layer,the neutral curves of the boundary layer mode move to the upper left,the resulting critical Reynolds number decreases,and the growth rate of the most unstable mode increases.The wall tends to stabilize the mixing layer modes at low frequency.In addition,the mode switching behavior of the relative level of the spatial growth rate between the mixing layer mode 1 and mode 2 with the velocity ratio is found to occur at low frequency.     

超声速混合层液滴两相流动的大涡模拟

为研究超声速气流中液滴与气流的混合及液滴蒸发对混合的影响,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构,气相流场采用亚格子(SGS)模型和切应力输运(k-ωSST)湍流模型,液相模拟采用轨道模型和单液滴蒸发模型。在混合层前缘入口处均匀持续地投放液滴,并在液滴入口处下方添加非周期小扰动,并观察液滴蒸发过程对该小扰动造成的影响。分析了入口小扰动在流场中不同的发展情况,发现液滴的蒸发过程使混合层厚度增加并加速混合层的发展,对气相流场扰动较强,可能导致流动失稳,对混合过程有很大的促进作用。     

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

超声速混合层转捩过程实验研究的进展

超声速湍流机理的实验研究是一件十分困难的工作.在2000年以来,本研究小组在低噪声超声速混合层风洞研究、超声速流动精细结构测量技术研究方面取得了重要进展,这给超声速混合层湍流精细结构的研究奠定了基础.为了研究超声速混合层及其气动光学问题,在研制的超声速混合层风洞中,主要以基于纳米技术的平面激光散射技术(Nano-trace Planar Laser Scattering,简称NPLS)为基础,研究了几种对流马赫数的超声速混合层从层流到湍流转捩过程K-H不稳定涡的空间结构,以及K-H不稳定涡的空间结构随着时间的发展过程.实验结果清晰地反映了湍流混合的不稳定性与转捩的精细结构,以及转捩过程的展向精细结构.     

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.      

不同隔板构型下带反应超声速混合层实验

为了考察超声速混合层混合、燃烧流场特性,并探索其被动增强方法,利用高速纹影、自发辐射成像和平面激光诱导荧光(PLIF)技术对压力匹配条件下的超声速混合层在不同隔板构型下的流场特性进行研究.结果表明:相对于对混合层混合的影响,凹腔对燃烧的影响明显受到抑制;尾部交错结构隔板促进混合层流向涡的产生,大大提高了混合层内燃烧强度.      

构型及二次燃烧对RBCC引射模态推力性能的影响

提出了掺混度模型并数值研究了五种构型和两种燃烧组织模式对RBCC发动机引射模态推力性能的影响,其中改进构型获得了推力增强.得出如下结论:(1)在引射掺混的前段,掺混过程主要由一次流喷管结构决定.而在引射掺混后段,后体构型对掺混过程影响较大.(2)获得较高掺混速率、较优引射比并在掺混过程中产生高于环境压强的流动状态是改进构型获得推力增强的两个重要因素.(3)与SMC燃烧组织模式相比,改进构型的SPI模式有效延迟了二次燃烧,不仅提高了燃烧效率而且没有使引射比过度下降.     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

裙边宽度对平行进气混合扩压器性能影响

为了明晰裙边混合器裙边宽度对涡扇发动机加力燃烧室平行进气混合扩压器气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes（N-S）方程的三维数值模拟方法对不同裙边宽度模型进行了定量研究,得到了流场、流向涡涡量场、热混合效率、总压恢复系数、混合扩压器出口平均速度及速度因数、混合扩压器出口温度均匀度的变化规律.结果表明:裙边宽度在40~130mm之间变化时,在混合扩压器出口截面处,随着裙边宽度的增加,流向涡的影响范围不断增大,促进内外涵道的气流掺混;热混合效率随裙边宽度的增大先增大后减小,总压恢复系数随裙边宽度的增大总体呈线性减小趋势.混合扩压器出口的平均速度及速度因数随裙边宽度的增大呈线性减小趋势,混合扩压器出口的温度均匀度随裙边宽度的增大而增大.      

强迫振动下超声速混合层的掺混特性

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有重要影响.与无振动下相比,强迫振动使混合层的失稳位置提前,卷起的展向涡尺度变大,加快上下两层流动的混合.同时,强迫振动下,动量混合和标量混合更加充分.振动频率为4500Hz时,雷诺应力峰值提高约48%,薄平板后缘下游160mm处,动量厚度增长120%.      

基于交叉射流与切向旋流的CH_4柔和燃烧特性对比

轴向分级柔和燃烧器中,采用了交叉射流、切向旋流两种掺混方式,通过实验结合数值计算的方法,从流场和组分分布角度比较了两种掺混方式的掺混特点,从火焰特征、NO/CO排放方面比较了燃烧性能.实验以甲烷为燃料,热功率为16.2~25.9kW,相对切向旋流,交叉射流延缓了燃料、空气的直接混合,燃料、空气燃烧前经回流烟气充分预热和稀释,火焰根部有抬升,反应区体积大,火焰特征更接近柔和燃烧.同时,交叉射流分级燃烧器的污染物排放性能更优,回流比例为0.5、当量比为0.6时,烟气中NO和CO体积分数均仅为4×10-6.     

轴承钢等离子体基离子注碳复合改性层化学结构的研究

通过激光Ｒａｍａｎ光谱、Ｘ射线光电子谱以及电阻和显微硬度的测试，研究了ＧＣｒ１５钢及镀钛ＧＣｒ１５钢试样经乙等离子基离子注入所得表面改性层的化学结构。     

基于电磁流体动力搅拌器的微流道混合研究

对于许多微流体装置来说,流体的混合是至关重要的。为了实现微流体混合控制,对基于电磁流体动力学原理的微流道主动混合控制方法进行了研究。该方法中使用了一个混合室,在动态洛伦兹力的作用下,混合室内流体往复周期的运动。流体速度的周期性变化使流体分界面折叠,从而使流体接触面增加。用CCD记录设备记录了流体的快速混合过程,并对流体的混合程度进行定量分析。     

超燃发动机混合效率评估方法探讨

总结和分析了3种常用的典型混合效率评估方法,为了提高对混合程度的评估精度和客观性,提出了3种新的混合程度评估方法和指标:流场混合效率,可燃混合效率和适燃区域比例.流场混合效率能够客观评估流场结构的混合性能和增混措施的效果;可燃混合效率和适燃区域比例,结合了流场中的熄火边界参数,能够将燃料的分布及混合程度直接与点火燃烧联系,能够客观评估不同程度的贫油和富油流场的混合程度,能够合理地预测燃烧可能发生的区域.最后通过二维算例比较了新旧方法的评估结果,验证了新评估方法的合理性.      

混合器中燃气/空气掺混特性研究

合理的混合器结构对组合动力系统的高效燃烧和推进性能具有重要意义。为了获得最佳掺混效果,缩短燃烧室长度,利用CFD程序分别对环形、旋流器型和波瓣混合器中内、外涵燃气/空气的流动和掺混特性进行了全三维数值模拟。燃气为甲烷液氧富燃燃气。结果表明：无论采用何种混合器,随着掺混距离的增加,总温和组分均趋均匀;其中,波瓣混合器的掺混效果最好,内外双旋流型混合器的掺混效果次之,环形混合器的掺混效果较差;环形混合器内涵燃气喷射角度对燃气/空气掺混效果具有一定的影响,燃气与轴向成15°喷射时,掺混效果优于无角度喷射。     

大涡模拟超声速两相流混合层的非线性分析

为研究超声速两相流混合机理,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构.用二维盒式滤波法处理可压缩气相N-S方程,得到亚格子形式的LES控制方程;用轨道模型仿真液滴运动,并用单液滴蒸发模型模拟液滴蒸发过程.利用伪邻近法和互信息量法确定了相空间重构的嵌入维数和时间延迟,对混合层压力时间序列进行了相空间重构.分析了仿真结果中混合层的涡结构特性和液滴对流场的反作用效果,并讨论了混合层失稳过程的非线性特征.发现混合层发展的不同阶段与其系统的非线性特征值密切相关.      

横流中喷雾掺混流场结构研究

为了获得有限空间内喷雾在横流影响下的掺混发展及机理,应用PIV系统测量了单个旋流雾化喷嘴产生的喷雾在横流中的掺混流场,实验在矩形通道内实施。获得了3种喷嘴入射角度和3种液气动量比下的掺混截面流场结构。结果表明,由于射流撞击、剪切和壁面约束作用,流场中形成前缘涡和反旋涡对,反旋涡对对掺混起了主要作用。比较不同喷嘴入射角度和液气动量比下的流场结构发现,随喷雾入射角度减小,两相作用提前发生,且反旋涡对尺度小,更利于掺混均匀;随液气动量比减小,气相作用增强,旋涡强度和尺度变小,更小的涡尺度更利于液滴均匀分布。