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。     

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。     

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。     

暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦的机理研究

利用暂冲式环形射流诱导非定常激波聚焦实验装置,在环形喷口宽度为9.4mm,喷口前后压比分别为6.1和17.9的条件下进行了环形射流聚心碰撞诱导非定常激波聚焦的实验研究,并以数值计算为补充,对流场的演化过程进行了详细的分析。结果表明,环形射流启动时形成的前导激波聚心碰撞是产生非定常激波的主要原因。在环形喷口宽度d=9.4mm,压比π=6.1的条件下,激波聚焦的峰值压力可达2.16MPa,为凹面腔内部初始压力的21.8倍。激波在凹面腔内聚焦后形成回传激波,凹面腔底部的气流经入射激波与回传激波两次压缩后,压力大大提升,向环形喷口回流,使下一循环中环形射流的欠膨胀度降低,前导激波强度也相应减弱,随之产生的非定常激波和激波聚焦强度也有所降低。此外,一个循环中输入凹面腔的能量由环形喷口宽度所决定,因此,当喷口前后压比大于临界压比1.89时,保持喷口宽度不变而仅改变喷口前后压比,所产生的非定常激波和激波聚焦强度基本不变。     

导流角和导流环深度对激波聚焦起爆爆震的影响

为了研究两级脉冲爆震发动机中的导流角和导流环深度对连续超声速射流对撞诱导激波聚焦起爆爆震的影响,以汽油/空气混合气为介质开展了激波聚焦起爆爆震的实验,分析了导流角、导流环深度对起爆爆震的影响规律。基于本文实验条件的结果表明:保持导流环深度为20mm,导流角越大,强震荡燃烧的平均峰值压力越大,越有利于起爆爆震;保持导流角为11°,导流环深度越大,强震荡燃烧的平均峰值压力越大,弱震荡燃烧的综合性能越好,越有利于起爆爆震。     

导流角和凹面腔深度对2 级PDE 中激波聚焦的影响

为了研究凹面腔内激波聚焦的机理以及导流角和凹面腔深度对激波聚焦的影响,在不同导流角和凹面腔深度条件下开展了3维凹面腔内激波聚焦的数值模拟,对各测量点的压力和温度进行分析。结果表明:合适的导流角有利于激波聚焦,导流角为25°时凹面腔底部的峰值压力和温度最高,激波聚焦效果最好;合适的凹面腔深度有利于激波聚焦,凹面腔深度为25 mm时凹面腔底部的峰值压力和温度最高,激波聚焦效果最好。     

分隔式射流通道对凹面腔内爆震起爆与反传的影响

针对凹面腔内激波聚焦起爆的爆震波反传现象,采用燃料与氧化剂以分隔式通道进入凹面腔的非预混燃料入射方案,通过数值计算,主要探讨了射流入射通道截面积、各截面积比和通道数量对激波聚焦起爆的影响作用。计算结果表明:燃料/氧化剂射流入射通道截面积比为化学恰当比时,凹面腔底部的掺混程度较好,有利于点火起爆;入射通道截面积比为化学恰当比的多入射通道方案,其凹面腔底部激波聚焦起爆时温度和压力更高,相同时刻的燃烧流场其温度和压力峰值均较高,更利于增强凹面腔内的掺混程度,使燃料浓度分布均匀;小截面积比的射流入射通道,有助于增大波阻提高抑制压力反传效果,减小压力反传强度。     

导流块深度对抛物形凹面腔中激波反射聚焦的影响

为研究导流块深度对抛物形凹面腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对马赫数为1.41的径向入射激波在导流块深度分别为0,5,10,15mm的凹面腔内反射聚焦过程进行了实验研究。结合高速CCD拍摄到的凹面腔中气流流场纹影照片和动态压力传感器测得的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。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦过程,发现随着导流块深度的加深,前导激波聚焦和反射激波聚焦的时间差会减小,使激波聚焦的强度增大,当导流块深度从0mm增加到15mm时,激波聚焦所致的峰值压力从0.39MPa增加到0.51MPa。但是,随着导流块深度的加深,压力增益下降,并使排气过程的难度加大,因此导流块深度为10mm左右时能取得较好的聚焦效果。     

二维凹面腔内暂冲式激波聚焦机理的实验

针对两级脉冲爆震发动机中第二级凹面腔内激波聚焦起爆能量和周期的研究,设计了二维凹面腔内暂冲式激波聚焦实验系统。通过分析粒子图像测速系统捕捉的照片和动态压力数据,获得了凹面腔内激波聚焦高压区压力特性和多循环流场演化特征。并且开展了A和B两种型面凹面腔的对比实验,进一步分析了多循环激波聚焦的形成机理。结果表明:入射激波第一次在凹面腔底部聚焦后形成的聚焦反射激波在喷口射流边界上发生反射,产生的反射激波再次在凹面腔底部聚焦,形成了第二次激波聚焦,如此往复便形成了周期性的激波聚焦,聚焦频率高达7~10kHz;并且,速度场和射流强度随入射激波碰撞而减弱,在排气过程中又增强,呈现周期性变化。      

凹面腔内的激波会聚冷态实验

为研究两级脉冲爆震发动机中激波聚焦起爆技术,研制了激波会聚起爆原理样机,建立了整套实验系统.利用三维激波会聚起爆原理样机,开展了导流角度、气流出口面积、尾喷管扩张角、凹面腔与射流入口间距离等对凹面腔内气动振荡频率和压力影响的冷态实验研究.结果表明:导流角增大,气动振荡频率增大;气流出口面积减小,气动振荡频率增大,凹面腔底部动态压力脉动幅值增大;喷管扩张角度增大,气动振荡频率数目增多;随着凹面腔与环形射流入口间的距离L增长,气动振荡频率降低,凹面腔底部动态压力脉动幅值降低.      

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H2/O2/N2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变;导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。      

Experimental investigation on a cavity-step-actuated supersonic oscillating jet

Wind tunnel testing is conducted at different back pressures in a vacuum-type wind tun-nel for a novel supersonic fluidic oscillator which consists of a two-dimensional Laval nozzle, a rect-angular cavity and a backward step, to obtain its characteristics and the conditions for jet oscillating. The experimental results show that periodic asymmetrical flipping of the supersonic jet appears over certain nozzle pressure ratio (NPR) range according to schlieren visualization and pressure fluctuations. The jet flipping appears only when the jet is over expanded. The normal-ized average amplitude of the lateral pressure difference acting on the roofs of the cavity and the step varies around 0.2 while the periodic flipping appears. The supersonic jet periodic flipping fre-quencies obtained from the experiments agree well with those from the modified Rossiter mode for cavity-step acoustic resonance, but further investigations are needed to discover the underlying mechanism for the jet flipping.     

底排装置空腔干扰下的火箭燃气流场数值模拟

从二维轴对称Euler方程出发,应用隐式有限体积TVD格式和分区技术数值模拟来流马赫数Ma=2 0,攻角α=0°时超声速绕流与底排装置空腔内的火箭燃气流相互干扰的复杂流场,计算得到了清晰的流场波系结构,包括底排装置空腔中的激波,火箭燃气流在底排装置空腔外底部与外来绕流作用后形成的相交激波、反射激波等,其结果可为底排火箭复合增程弹丸的结构设计和气动特性研究提供理论依据。     

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。     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

增强型双喉道射流推力矢量喷管的流动特性试验

对一种增强型双喉道射流推力矢量喷管开展了内部流动特性的试验研究,获得了其在不同次流压比状态下的内流结构和沿程静压分布.试验结果显示:在基准双喉道矢量喷管尾部附加扩张段后,能够以2.8%的次流消耗率获得超过20°的平均气流偏角,这表明通过附加扩张段来增加喷管矢量角的设计概念是可行的.在凹腔内,增强型双喉道射流推力矢量喷管的静压分布规律与基准双喉道矢量喷管一致,但在附加的扩张段内,下壁面的压强要明显高于上壁面,这正是其推力矢量角得到显著增大的原因.随着次流压比的增加,喷管获得的推力矢量角单调增加,但是喷管附加扩张段的矢量增强效果基本维持不变.      

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。