火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

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。     

等离子体合成射流对钝头激波的控制与减阻

为了验证等离子体合成射流对超声速流动的流动控制和减阻效果,在考虑热完全气体效应的情况下,工程拟合等离子体热力学属性和输运系数,利用能量源项模型对超声速平板和球头等典型流场结构进行了数值模拟,并取得了与实验较为一致的结果。研究结果表明：对于马赫数为2的超声速平板流动,等离子体合成射流能有效干扰边界层的发展,并诱导产生一系列大尺度结构;对于马赫数为3的球头流场,等离子体合成射流能显著改变激波脱体距离与球头的阻力特性;在放电后第1个周期内,合成射流能使球头平均阻力降低6.3%,而在射流峰值情况下使阻力降低32.0%,激波脱体距离增加2倍,实现了激波控制和流动减阻的预期效果。     

射流马赫数对圆弧形凹面腔内激波聚焦过程的影响

为研究射流马赫数对连续超声速射流对撞流场演化及激波聚焦过程的影响,保持入射导流深度L=0.00mm不变,通过更换不同的Laval喷管,对马赫数分别为Ma=1.2,1.4,1.6和1.8时的实验工况凹面腔内反射聚焦过程进行了实验研究,用高速CCD(Charge coupled device)拍摄了圆弧形凹面腔中气流流场纹影照片,并用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,对径向入射激波在凹面腔内的反射聚焦过程进行了描述。通过对比不同射流马赫数下激波反射聚焦过程,发现在低马赫数1.2时,表现出较强的激波完全聚焦特性,即前导激波碰撞形成反射激波,并反射聚焦形成三波点,从而在凹腔底部形成高温高压区触发爆震,前导激波完全聚焦过程在凹面腔内流场演化中占据主导地位。随着马赫数的增加,完全聚焦强度降低,在流场中的主导优势逐渐减弱;其激波聚焦频率受射流马赫数的影响较小,频率差值较小,基本保持一致。     

二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

超声速条件下等离子体合成射流对鼓包诱导流场的影响

为进一步提升鼓包进气道性能,通过唯象仿真方法对超声速条件下等离子体合成射流对鼓包诱导流场控制效果展开了研究,验证了等离子体合成射流控制方法的有效性,并获得了激励器缝宽等参数对其控制效果的影响规律。研究发现：在超声速流场中,等离子体合成射流形成的诱导激波由对称的弓形激波逐渐发展为斜压缩波。对于缝宽为2mm激励器,等离子体合成射流作用的有效时间为四分之一周期,在该时间内能够对鼓包诱导曲面激波起到抑制作用,促进鼓包排移边界层同时带来分离区分离点提前、分离强度减弱、使鼓包表面边界层更加饱满等影响。对于激励器缝宽的参数化研究表明,随着缝宽的增大,射流出口压力增大、作用时间增长、在有效控制时间内射流对鼓包排移的控制效果有所增强,在本文探究的缝宽范围内射流最多可降低壁面3.2%阻力。     

柯恩达效应对涡轮叶栅气动性能及流场的影响

以某实际燃气轮机涡轮进口导向器叶栅为研究对象,在出口为高亚声速及超声速条件下,对具有不同柯恩达表面的环量控制叶栅进行二维数值模拟,通过对比分析叶栅的气动性能和流场细节,探讨了柯恩达效应在涡轮叶栅中的作用机理.结果表明:当叶栅出口马赫数为0.60时,射流对主流有很好的携带作用,损失小于原型叶栅;叶栅出口马赫数增加到0.85时,射流仍有较强的携带主流折转的能力;当叶栅出口为超声速时,在初始阶段小曲率的柯恩达表面上,由于激波的作用,射流向流道中心折转并提前脱离壁面,初始阶段大曲率的柯恩达表面射流附壁较好,但由于叶片吸力面与射流口之间圆角的作用,射流与主流掺混不理想.      

等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究

针对高超声速进气道激波与边界层干扰流动分离控制问题,提出了一种低功率重频非定常激励方式,并基于雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,从唯象学的角度出发,将等离子激励简化为功率密度源项,对比研究了定常与低功率重频非定常等离子体气动激励的作用机理与控制效果。结果表明:定常激励的能量沉积作用对于激波控制非常有效,并可诱导出斜激波,但是对于流动分离控制而言,其能量沉积显然过于强大,反而会使流动分离更加严重,无法满足控制要求;当采用低功率重频非定常激励方式时,对于不同功率密度的情况均存在最佳激励时长与频率,当功率密度为5.0×109W/m3时,最大射流速度可以达到895m/s,并且可以在一定程度上减弱激波与边界层干扰流动分离。      

二维凹面腔内连续超声速射流入射压力对激波聚焦的影响

为研究射流入射压力对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的影响,开展了二维凹面腔内连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的实验,分析了流场演化过程及动态压力特性。结果表明:连续超声速射流在凹面腔内对撞后出现了水平拉锯脉动模态和上下交叉脉动模态,在水平拉锯脉动模态中能实现频率为9k Hz左右的激波聚焦,实质是凹面腔内的气流周期性排出后形成的低压区导致射流喷管出口形成前导激波并在凹面腔底部聚焦;射流入射压力越小,凹面腔底部和射流对撞位置的压力脉动幅值越小,凹面腔底部激波聚焦的频率和强度越小,当入射压力减小到0.3MPa后,凹面腔内无法实现激波聚焦。     

Characteristics of High Speed Electro-thermal Jet Activated by Pulsed DC Discharge

Experimental study of synthetic jet produced by pulsed direct current(DC) discharge is presented.High velocity jet is activated electro-thermally by high frequency pulsed DC discharge in small cavity.A cavity of 2.38 mm diameter cylinder bounded by circular electrode is made in a ceramic plate and a small orifice of 1.78 mm diameter is drilled in the middle of cavity.High frequency pulsed DC discharge instantaneously heats air in the cavity and produces high velocity jet at the exit of the orifice.Schlieren imaging at high framing rate of 100 kHz reveals the presence of supersonic precursor shock followed by the jet emerging from the orifice.The jet velocity reaches as high as about 300 m/s.Jet with smaller cavity volume produces lesser effect and jet velocity reaches maximum at certain cavity volume with given discharge current and orifice size.As duty time of pulse increases from 5 to 20 μs at fixed frequency of 5 kHz,the jet velocity also increases and becomes nearly constant with further increase in duty time.At fixed duty time of 20 μs,higher frequency pulsing of 10 kHz produces degradation of the jet as the discharge pulse continues.The jet developed in this study is demonstrated to be strong enough to penetrate deep into supersonic boundary layer and to produce a bow shock when the jet is issued into Mach 3 supersonic flow.     

Trailing-edge shock loss control with self-sustaining synthetic jet in a supersonic compressor cascade

To effectively reduce the loss of strong shock wave at the trailing edge of the supersonic cascade under high backpressure, a shock wave control method based on self-sustaining synthetic jet was proposed. The self-sustaining synthetic jet was applied on the pressure side of the blade with the blow slot and the bleed slot arranged upstream and downstream of the trailing-edge shock,respectively. The flow control mechanism and effects of parameters were investigated by numerical simulation. The res...     

Simulation of underexpanded supersonic jet flows with chemical reactions

To achieve a detailed understanding of underexpanded supersonic jet structures influenced by afterburning and other flow conditions, the underexpanded turbulent supersonic jet with and without combustions are investigated by computational fluid dynamics(CFD) method.A program based on a total variation diminishing(TVD) methodology capable of predicting complex shocks is created to solve the axisymmetric expanded Navier–Stokes equations containing transport equations of species. The finite-rate ratio model is employed to handle species sources in chemical reactions. CFD solutions indicate that the structure of underexpanded jet is typically influenced by the pressure ratio and afterburning. The shock reflection distance and maximum value of Mach number in the first shock cell increase with pressure ratio. Chemical reactions for the rocket exhaust mostly exist in the mixing layer of supersonic jet flows. This tends to reduce the intensity of shocks existing in the jet, responding to the variation of thermal parameters.     

高超声速进气道隔离段反压的前传模式及最大工作反压

对均匀来流和有斜波入射(非均匀)情况下隔离段内流动进行了数值分析,发现反压增加首先在隔离段出口形成激波串,出口压力不断增加,而隔离段内流动没有变化;进一步增加反压,直到隔离段出口附面层开始分离时,激波串开始往隔离段内移动,壁面压力自激波串第一道激波位置开始逐渐增加;反压继续增加,激波串在隔离段内不断地向前移动。分析了隔离段内激波串的流动特征,发现激波串是由系列“斜激波 附面层分离 加速降压”流动组合而成,激波串后的流动为掺混流动(掺混区)。提出了最大工作反压的概念,当反压等于最大工作反压时,激波串位于隔离段出口,波后附面层开始分离,反压的任何增加,激波串就会往隔离段内移动;当反压小于或等于最大工作反压时,隔离段出口为超声速流动。研究还发现最大工作反压比由零反压时隔离段出口平均马赫数唯一确定,马赫数越大,最大工作反压比越大。最大工作反压比数值可用D.E.Nestler的拟合式来计算。     

激光等离子体点源减阻技术中入射能量对气动阻力的影响

数值模拟了来流马赫数为5时的圆球绕流冷流场,以及来流与头部驻点附近注入激光能量而产生的等离子体相互耦合形成的流场的演化过程。计算结果表明:施加局部能量点源能够改变原有的弓形激波结构,使其变为斜激波,从而减小气动阻力;气动阻力随入射激光能量的增大而逐渐减小,当入射激光能量为1.1 J时,气动阻力减小的百分比高达40%。     

MHD Flow Control of Oblique Shock Waves Around Ramps in Low-temperature Supersonic Flows

This article is devoted to experimental study on the control of the oblique shock wave around the ramp in a low-temperature supersonic flow by means of the magnetohydrodynamic(MHD) flow control technique. The purpose of the experiments is to take advantage of MHD interaction to weaken the oblique shock wave strength by changing the boundary flow characteristics around the ramp. Plasma columns are generated by pulsed direct current(DC) discharge, the magnetic fields are generated by Nd-Fe-B rare-earth permanent magnets and the oblique shock waves in supersonic flow are generated by the ramp. The Lorentz body force effect of MHD interaction on the plasma-induced airflow velocity is verified through particle image velocimetry(PIV) measurements. The experimental results from the supersonic wind tunnel indicate that the MHD flow control can drastically change the flow characteristics of the airflow around the ramp and decrease the ratio of the Pitot pressure after shock wave to that before it by up to 19. 66%, which leads to the decline in oblique shock wave strength. The oblique shock waves in front of the ramp move upstream by the action of the Lorentz body force. The discharge characteristics are analyzed and the MHD interaction time and consumed energy are determined with the help of the pulsed DC discharge images. The interaction parameter corresponding to the boundary layer velocity can reach 1. 3 from the momentum conservation equation. The velocity of the plasma column in the magnetic field is much faster than that in the absence of magnetic field force. The plasma can strike the neutral gas molecules to transfer momentum and accelerate the flow around the ramp.     

预燃/流向涡掺混超声速燃烧室的稳焰火炬实验研究

 为研究飞行马赫数Ma_flight=4~7的双燃室碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室的原理和工程参数,进行了直连双燃室超声速冷主流和亚燃室稳焰火炬热流的掺混实验和燃烧实验。将进气道输出的超声速气流的10%流量经亚燃进气道导入亚声速预燃室,先低速地与雾化预燃油掺混并建立稳定的预燃。该预燃气流与二次喷入的主燃油掺混而形成富含吸热分解油气的高温射流,再经一组波瓣掺混器与超声速主流在下游流向涡中深入掺混/燃烧,扩大燃区厚度而趋于深入超声流层,以期实现稳定超燃。在总温约为285 K、总压为1.5×10⁶ Pa和1.0×1.0⁶ Pa,燃烧室进口马赫数Ma_inlet=2.5的来流下,对3种不同结构参数的预燃室和一种超燃室,进行了冷态流场和预燃/主燃的喷油/燃烧实验。实验与计算结果表明,冷/热态实验中整个超燃室保持了超声速流动,尽管斜激波系存在一些变化。利用存在的4种旋涡掺混现象,增强超/亚声速流之间的掺混。当采用三波系进气道和较小容积热强度的大体积预燃室和流向涡掺混器,可以形成稳定的高温富油火炬,成为超燃室稳定点火源。在超燃室下层流层的原无预热冷态来流的亚声速和低超声速区域中出现火焰,且其并不破坏超燃室上层的高超声速未燃流动。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。