环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

水下超声速喷嘴起动/关机过程射流的动态不稳定性研究

为了研究水下超声速喷嘴出口燃气泡的发展及射流的动态不稳定机制,应用高速摄像的流场可视化方法,开展了水下欠膨胀超声速喷嘴起动和关机过程的冷流试验研究。试验结果表明:喷嘴起动初期高压气体喷出后很快建立起射流形态,没有出现间歇性断裂泡流形态;喷嘴起动阶段的射流动态不稳定特征仅出现在较低压比下的过膨胀状态,而关机阶段的超声速射流在较高压比下的欠膨胀状态即开始出现高度不稳定振荡,射流在欠膨胀到过膨胀的过渡阶段回击频率高达10Hz;起动与关机阶段动态不稳定性的差异与气/水之间相互作用过程有关,入口压力的持续升高有助于抑制射流边界的颈缩,而入口压力的降低过程则进一步加剧了水环境对射流边界的作用,射流表现出更高的不稳定性。     

不同喷压比下欠膨胀射流对特征频率激励的响应

为了揭示欠膨胀激励射流的流动机理,以及考察不同喷压比下射流对相同激励的流动响应,采用大涡模拟方法,对喷压比NPR=5.60和9.34的欠膨胀定常射流和激励射流进行了三维数值计算。激励频率为定常射流中固有的轴对称频率=14.569kHz,激励形式为在射流喷管入口处施以正弦压力扰动。结果表明,特征频率激励影响射流的声场特征,缩小射流核心区的范围,减少射流近场的激波胞格数目,并影响射流气体与环境空气的混合。同时,激励射流的特征频率转变为激励频率及其高阶倍频,激励射流的主不稳定模态均为轴对称模态。其中,NPR=9.34的欠膨胀射流的主不稳定模态和外加压力扰动的形式相一致,射流与外加激励发生了更加剧烈的流动耦合和响应。这使得在NPR=9.34时,射流核心区长度减小得更多,压力脉动的振幅更大,激励对射流混合的增强作用更加明显。     

激波控制矢量喷管流动与工作特性研究

利用数值模拟方法,研究了激波控制矢量喷管的流场结构与工作特性,分析了射流流量、外流马赫数及落压比对喷管流动和性能的影响。结果表明:随着射流流量的增大,射流对主流产生的阻碍作用增大,使得注气缝上游的高压分离区增大,上、下壁面压差增大,矢量角增大;但射流流量过大时,激波会影响下壁面的压力分布,使喷管推力矢量性能降低。外流马赫数增加使喷管出口附近及上壁面注气缝下游壁面的压力降低,因此上、下壁面的压差减小,喷管的推力矢量性能降低。随着落压比的增大,注气缝上游的分离激波位置后移,注气缝下游分离区内的相对压力降低,使上、下壁面的压差减小;另外,喷管工作状态从过膨胀状态向欠膨胀状态转变时,压差产生的推力增大,喷管的推力矢量性能降低。     

高空射流核心区控制的数值分析与试验验证

为研究高空射流核心区的变化规律,分析了不同模拟马赫数/高度状态下高空射流核心区的物理本质和影响因素.通过理论分析和CFD计算确定了建立自由射流试验需满足的进排气条件,获得了亚声速下喷管出口的核心区角度、超声速下不同马赫数典型流态的临界压比及其随喷管设计马赫数的变化趋势,以及自由射流试验中压力和马赫数等参数的模拟偏差对核...     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

水下点火固体火箭发动机两相流流场数值分析

利用FLUENT软件,使用湍流模型和VOF(volume of fluid)模型对水下点火固体火箭发动机的气液两相流场进行数值分析,对点火初期喷管中燃气的流动过程和燃气泡的发展过程进行了仿真,数值模拟了固体火箭发动机尾流场燃气密度、压力和温度的分布规律。研究表明:点火初期,喷管内流场将有一个完整激波建立的过程,除此之后的喷管尾流区域,由于气体受到压力扰动的影响,激波结构被破坏,没有形成连续的膨胀—压缩波;射流过程中燃气泡头部一直保持较大直径,中部燃气通道存在随轴向周期性的膨胀-压缩现象;喷管尾流区,各流动参数出现不同程度的振荡现象:喷管出口燃气密度受外界水的压缩及传质传热的影响,出现峰值后逐渐稳定;喷管出口燃气总压由于受水环境的急剧压缩,在喷管出口附近形成一个高压区;喷管出口燃气温度经三次周期变化后,温度逐渐降至1750K以内。      

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

喷流模拟方法研究

本文以喷流流动特性及超声速喷流形状为基础，结合美国的喷流模拟研究成果，提出了喷流模拟方法为：喷流边界（形状）模拟；喷流引射能力模拟。     

高超声速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在高超声速(M=6)流动中,实验研究了侧向喷流的干扰特性,并探讨了喷流压力、攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响.结果表明,在高超声速流动中,随喷流压力增大,喷流弓形激波与来流弓形激波相交,喷流前的高压区增大,而喷流后的低压区几乎不受影响,喷流的控制效果加强.与迎风侧喷流相比,背风侧喷流控制效果更好,这一趋势随攻角的增大更加明显.     

二元波瓣喷管排气引射系统的试验研究

通过７种二元波瓣喷管排气引射系统的对比试验,研究了二元波瓣喷管的波瓣结构形状、排列方式和间距等参数对排气引射系统气动性能的影响。试验结果表明：错列二元波瓣喷管引射性能和强化混合性能比对列的好,但其压力损失系数比对列的大;波瓣内外间距相同的二元波瓣喷管比波瓣内间距为外间距两倍的气动性能好;波瓣切口错列的二元波瓣喷管的引射性能和强化混合性能最好,但其压力损失系数也最大。在各组合方案中,波瓣间距相同对列的二元波瓣喷管与带有多套环结构的混合管组成的排气引射系统综合气动性能最好     

三角翼后缘喷流对前缘涡破裂位置的影响

采用高分辨率的N-S方程数值模拟方法,研究了亚声速来流条件下对称喷流、差动喷流、矢量喷流对60°后掠角三角翼前缘涡破裂位置的影响。结果表明,对称喷流条件下,喷流与来流的速度比影响前缘涡破裂位置;差动喷流情况下,速度大的一侧喷流对涡破裂位置起主要影响;矢量喷流情况下,喷流方向对涡破裂位置影响显著,喷流方向与涡轴方向一致时,涡破裂位置延迟量最多。     

自耦合射流对平行主射流的矢量偏转PIV实验

为研究不同激励信号下自耦合射流对主射流的矢量偏转的影响,采用二者平行布局的方式,利用压电陶瓷单缝激励器出口两侧形成的低压区的卷吸作用,使主射流发生了明显地矢量偏转。PIV实验表明,当激励信号f=400 Hz时,自耦合射流的动量通量达到最大,主射流的对环境气体的卷吸能力最强,其边界也达到了最宽;而当激励信号f=500 Hz时,激励器出口缝处表现出最强的卷吸作用,并使流速2.6 m/s的主射流发生了最大48°的矢量偏转。      

水下高速射流气泡变化过程数值研究

为研究水下高速射流气泡变化规律,采用VOF(Volume of Fluids)模型分别对水下等温高速气体射流和热高速气体射流动态流场进行了气水耦合数值求解。其中热射流考虑了汽化因素对气泡内气流场的影响,数值模拟了气泡的形成、发展、断裂及融合过程,揭示了气泡中压力和马赫数等参数的变化规律,得出了水下点火初期的流场特征。研究发现:在相同入口压力下,热射流产生气泡的空间尺度比等温射流产生的气泡空间尺度要小;气泡发展过程中会出现颈缩,也可能断裂,断裂与否取决于气泡颈缩处内外压差,气泡的颈缩与断裂是产生压力脉动的重要因素,并决定了压力峰的位置和大小,气泡断裂位置越靠近喷管出口,压力峰值越大,该压力峰值会影响火箭发动机尾流场特性。     

侧向喷流的气动增益特性研究

本文实验研究了一种弹翼身组合体构型在亚、跨、超声速，不同动量比以及不同喷口布局条件下的侧向喷流气动增益情况。给出了来流马赫数、喷流动量比、喷口布局等对增益特性的影响。结果表明，马赫数和喷口布局对增益特性均有显著影响，但本文定义的增益因子却基本与动量比无关。此外，对比分析了单独体构型和翼身组合体构型增益特性的差异，进一步揭示了主流、喷流在二者相互作用中的地位和影响。本文结果对认识侧向喷流干扰特性、气动增益、开发高效喷流姿态控制技术等有一定参考意义。     

水射流加工技术的现状及其发展趋势

水射流加工是一项特种加工方法,采用高压高速水(纯水或带有添加剂)冲击工件,在水中悬浮磨粒的作用下,进行切割、穿孔、破碎或表面材料去除。介绍了水射流加工技术概况、工艺参数间的关系,应用现况以及发展趋势。     

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

补气式等离子体射流发生器实验研究

提出一种补气式等离子体射流(ASPSJ)发生器,在常规火花放电式等离子体射流(PSJ)发生器腔体上连接单向阀,改善发生器吸气复原阶段的补气量和射流的连续性,以获得能量更高的合成射流。研究了在不同加载电参数下,不同类型单向阀对发生器最大射流速度的优化作用;通过正交实验法确定了补气式等离子体射流发生器的最佳工作电参数,以获得最高的合成射流速度。文中的等离子体射流发生器配以所选择的补气单向阀,最优加载电压频率为150 Hz,幅值为50 kV,占空比为15%。实验结果表明,补气式等离子体射流发生器将最大射流速度提升20%以上,高射流速度的工作频带由单点扩展到100 Hz,以期在应用于流动控制时获得更好的效果。研究成果为后续的主动流动控制的应用研究提供了指导。