题名涡扰动激励下高度欠膨胀射流的混合增强特性及流动机理
作者汪也
答辩日期2019-05-28
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师范学军
关键词高度欠膨胀射流 涡激励 混合增强 大涡模拟 超燃冲压发动机
其他题名Mixing Enhancement and Flow Mechanism of Highly Underexpanded Jet Excited by Vortex Disturbance
学位专业流体力学
英文摘要

超声速燃料射流在燃烧室内与空气来流的混合问题一直是超燃冲压发动机的关键技术与研究热点,燃料和氧化剂的混合效率大小直接影响了后期的燃烧性能,通过提高二者的混合效率可以提高燃烧室整体的燃烧效率和燃烧稳定性,并拓宽稳焰极限。高度欠膨胀射流作为超燃发动机燃烧室内燃料射流平行喷注的典型流动形式,是研究燃料射流和空气混合问题的主要载体。相关研究表明,对射流施加一定程度的外加激励可以通过调控射流的流动特性实现燃料与空气的混合增强。而因欠膨胀射流流场中充满复杂的特征结构,其流动特征时间也短,所以大涡模拟方法成为了准确预测流场中特征结构和湍流脉动的重要手段。本文以超声速高度欠膨胀平行射流为研究对象,采用高时空分辨率的大涡模拟方法对自由喷射和涡扰动激励喷射情况的射流进行了数值模拟研究。本文的研究结果可以深化对可压缩高度欠膨胀射流混合问题在理论上的理解,在工程应用上也有助于超燃冲压发动机燃烧室的燃料喷注方式和射流混合增强的优化设计。本文主要研究内容和结论如下:

本文向高度欠膨胀射流施加的涡扰动由低压抽吸带来的速度剪切作用所诱导生成,而此涡扰动的强度随着抽吸压比(SPR)的减小而增大,其对流场的激励程度也随着SPR的减小而增大。研究中通过对自由和三组不同SPR0.80.50.2)激励下高度欠膨胀射流的大涡模拟发现:1)施加涡扰动会增加流场中的大小尺度涡结构并加快射流失稳和湍流转捩过程,从而使射流与空气的混合效率明显提高,并且涡扰动越强,混合增强效果越明显,但同时射流的核心区也明显变短;2)通过对射流波系结构的瞬态演化分析,涡扰动会显著改变波系结构的建立过程,并破坏激波振荡周期,使得马赫盘从直线形变为弯曲形,同时使其宽度明显变大,马赫盘的强度减低,初始膨胀区变大,马赫盘后的激波胞格结构消失,且伴随涡扰动的增强,这种效应也越明显;3)涡扰动会明显改变涡量的生成和消失规律,SPR = 0.5的激励射流中涡扰动使所有涡量生成项大小在扰动施加区域增大了至少一个量级,并改变了流场中涡量的空间分布;4)通过分析射流声场发现,涡扰动改变了声波传播的角度和声源位置,涡扰动越强的激励射流其声源位置越靠近扰动施加位置;(5)通过螺旋度和压力脉动频谱给出了射流剪切层的主不稳定模态,发现涡扰动将自由射流剪切层的“1+1”单螺旋模态改变为顺逆时针螺旋交替出现的“n+n”多螺旋分支模态,同时在定量上也改变了激波啸叫频率,激发了整个压力脉动频域,增大涡扰动会使剪切层脉动振幅越大,特征频率越多,表现出更为复杂的主不稳定模态。

语种中文
内容类型学位论文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/79083]  
专题力学研究所_高温气体动力学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
汪也. 涡扰动激励下高度欠膨胀射流的混合增强特性及流动机理[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019.
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