不同支板构型对超声速流动影响的数值研究

支板作为超燃冲压发动机的侵入式喷注/稳焰结构,能够有效的使燃料与主流空气掺混。为了进一步分析超声速气流中支板对流动的影响规律,本文对比了二维、三维的仿真结果,并通过三维仿真分析了支板特征参数对流动的影响。结果表明:在长宽比较小的条件下,流场的三维效应更加明显;支板长度对总压恢复的影响很小;前缘半径和支板厚度越大,总压恢复系数则越小;当支板厚度大于流道高度13.4%时,极易发生气流壅塞。     

不同结构探针对压气机进口级流场及测量结果的影响

采用数值模拟的方法,研究了某涡轴发动机压气机进口级流道中2种不同类型的总压探针和总温探针的测量精度以及这两种探针对流场的影响,分析探针在巡航、最大连续、起飞3个典型工作状态下,探针结构以及安装位置对探针测量结果的影响。研究结果表明:发动机进口流量越大,探针的测量误差越大;相较于总温探针,总压探针测量准确度受流量的影响更大;速度均匀度受发动机工况的影响较小,主要与插入的探针结构有关;越靠近支板的总压探针,测量误差越大;探针安装位置对出口处总压损失系数的影响较小。     

超燃冲压发动机进气道内激波/边界层干扰研究

外界存在多种因素引起隔离段反压增加,将直接影响到进气道内波系的结构和强度,进而影响到因激波诱导而分离的边界层情况．在设计状态下,建立二维的进气道模型,运用RSM湍流模型,对单个超燃冲压发动机进气道隔离段内复杂流场进行数值模拟．得到对应不同反压时,超燃冲压发动机进气道的激波与边界层相互作用情况．研究发现,反压为0时,隔离段内分离区较大,出口马赫数较低,尾部波系较弱,为燃烧室稳定燃烧提供有利条件．随着反压的增加,即使总压恢复系数有所增加,但隔离段尾部的气流稳定性降低．因此,要合理调节隔离段反压大小,以便更好地协调总压损失和尾部气流稳定性的矛盾,对于进气道工作最优化的控制起到一定的参考作用．     

非平面激波诱导斜界面变形的大涡模拟研究

激波与气-液界面的相互作用是超声速燃烧和惯性约束聚变等工程应用中常见且复杂的物理现象.针对其中更具实际意义的非平面激波与气-液两相斜界面相互作用问题,开展了基于VOF(Volume of fluid)模型的大涡模拟研究,分析了入射激波强度、初始振幅和气-液斜界面倾角等参数对界面变形和湍流混合现象的影响规律.结果 表明:...     

亚-超声速混合层流动特征研究

为了获得亚-超声速混合层速度分布、压力分布及混合层发展的基本特征,开展试验与数值模拟研究。试验中采用粒子图像测速技术PIV测量二维速度分布;数值研究中,湍流模型为标准k-ω,考虑亚-超声速混合层的压缩性影响,开展稳态流场特征模拟。亚声速气流马赫数为0.11,超声速气流马赫数为1.32。研究结果表明:混合层具有非稳态特征,分界面发展经历近似线性发展、褶皱与变形、破碎;时均特征为混合层沿流向近似呈现线性增长,增长率为0.135;混合层内速度和总压分布具有相似性特征。     

等离子体射流助燃下支板凹腔燃烧室的燃烧特性

等离子体射流作为一种有效的点火助燃方式在超声速燃烧室中得到了广泛的应用,但是目前大都是与传统的壁面燃料喷注方式相结合,而与中心燃料喷注方式的结合较少.为了扩大燃烧范围,本文将等离子体射流引入了带有交替尾缘结构的支板-凹腔燃烧室中.通过三维数值计算,研究了超声速气流中支板燃料喷注总压、凹腔燃料喷注总压、等离子体射流喷注总...     

附面层吹吸气对跨音速叶栅气动性能影响的数值研究

文章数值模拟了某跨音速叶栅超音速区后附面层分别进行抽气和吹气对叶栅通道流道中超音速区位置、范围及压缩波强度的变化以及总压损失的影响。结果表明:抽气与吹气都能有效改善流道中附面层分离状况,但相比于吹气,抽气会使超音速区域向后大大扩展,使流场中出现激波,造成激波损失,从而导致整个流道中总压损失增加。这表明文中跨音速叶栅中使用抽气的方式消除附面层分离比吹气所造成的总压损失大。     

两种乘波前体/进气道一体化设计与性能研究

建立了由激波面推算波后流场的计算方法,设计了能够产生三道封闭圆锥激波的相交锥模型.以此为基础生成了具有三道封闭激波的乘波前体和具有一道封闭激波两道平面激波的乘波前体对比模型.分别对两种乘波前体与进气道一体化模型进行了全三维流场计算,研究了两模型在不同飞行状态下的气动性能.结果表明三道封闭激波乘波前体模型相比对比模型具有较大的气动性能优势.在进气道进口截面处边界层厚度几乎相等的情况下,流量系数提高了3.4%,总压恢复系数提高了8%,进气道进口截面流场不均匀度降低了8.8%.相比低于设计马赫数和负攻角,两模型在高于设计马赫数和正攻角有较大的封闭激波飞行范围.CFD计算结果表明,对于乘波前体设计马赫数应低于实际飞行马赫数,并且宜采用正攻角飞行.     

吹除法对斜激波/边界层干扰控制数值模拟

为了对进气道内斜激波/边界层干扰进行控制,采用RSM模型,以二维平板/楔结构为基础,研究了斜激波冲击平板诱导边界层分离现象,探讨了吹除状态下流场波系结构和壁面参数分布,分析了吹除位置和总压对分离区及流场的影响.研究表明加入吹除控制之后,流场参数得到了有效改善,吹除喷嘴靠近分离区,吹除效果更好.吹除总压并不是越高吹除效果就越好,存在一个最佳吹除压力,该压力就是使吹除喷嘴出口气流达到近似音速,这一结论如进一步得到实验证实,对实际工程具有指导意义.     

咽式进气道/等直隔离段的反压特性

对带等直隔离段的咽式进气道进行Ma 5飞行条件下流场的数值模拟,对比起动状态反压对内部复杂的流场结构及性能参数的影响,分析高反压引起的进气道不起动现象与机理.研究表明,起动状态下隔离段中激波串主要在俯仰方向上发展且不对称性明显,激波串出现初期进气道/隔离段的性能参数变化最快,超声速主流受到附面层挤压偏向隔离段底部和中心轴线的偏航两侧.高反压引起咽式进气道不起动后,分离结构被限制在俯仰压缩段,流量损失主要发生在侧向唇口,偏航压缩段内均为亚声速、高温高压气流.由于高内收缩比和几何构型影响,仅采用降低反压的方式难以实现再起动.     

Supersonic flow imaging via nanoparticles

Due to influence of compressibility, shock wave, instabilities, and turbulence on supersonic flows, current flow visualization and imaging techniques encounter some problems in high spatiotemporal resolution and high signal-to-noise ratio (SNR) measurements. Therefore, nanoparticle based planar laser scattering method (NPLS) is developed here. The nanoparticles are used as tracer, and pulse planar laser is used as light source in NPLS; by recording images of particles in flow field with CCD, high spatiotemporal resolution supersonic flow imaging is realized. The flow-following ability of nanoparticles in supersonic flows is studied according to multiphase flow theory and calibrating experiment of oblique shock wave. The laser scattering characteristics of nanoparticles are analyzed with light scattering theory. The results of theoretical and experimental studies show that the dynamic behavior and light scattering characteristics of nanoparticles highly enhance the spatiotemporal resolution and SNR of NPLS, with which the flow field involving shock wave, expansion, Mach disk, boundary layer, sliding-line, and mixing layer can be imaged clearly at high spatiotemporal resolution.     

旋流器后置型超音速分离管流场分析

结合气体动力学和流体热力学原理,设计了一种旋流后置型超音速分离管.针对新结构建立了三维数值计算模型,并结合可实现k-ε湍流模型对超音速分离管内部流场进行模拟,得出了管内轴心上的压力、温度、马赫数及湍动能的分布,同时对不同截面上径向的压力、温度、马赫数及旋流加速度进行了分析.结果表明:当压损比为47.5%时,分离管内Laval渐扩段(距离分离管入口98 mm处)出现明显的激波现象,获得最大马赫数1.736,此时膨胀得到的最低温度为190.52 K,可为超音速分离管提供足够的凝结动力;旋流发生器后面可获得较大的旋流加速度,产生较强的分离效果.     

Experimental study on atomization phenomena of kerosene in supersonic cold flow

Experiments were conducted to study the atomization phenomena of kerosene jet in supersonic flow. The kerosene jet was driven by compressed nitrogen. Meanwhile, the shadowgraph and planar laser-induced fluorescence (PLIF) were used to visualize the flow field in the case of different total pressure and jet pressure. The results imply the followings: The combination of shadowgraph and PLIF is a reasonable method to study the atomization phenomena in supersonic flow. PLIF can detect the distribution of kerosene droplets accurately. Shadowgraph can visualize the wave structure. Higher jet-to-freestream dynamic pressure initiates higher penetration height and the jet column will be easier to breakup and atomize, but it also induces stronger shock waves and aggravate total pressure lost. Three-dimensional, unsteady surface wave plays an important role in making the jet break up and atomize. Higher jet-to-freestream dynamic pressure will accelerate the development of surface wave and enlarge the amplitude of surface wave, while lower jet-to-freestream ratio will inhibit the development of surface wave. Supported by the Fund for the Application of the Combination of Plif and Schlieren Methods in the Study of Mixing Enhancement by Newtype Cavity in Supersonic Combastion Field (Grant No. 10402040)     

超燃冲压发动机前体/进气道和隔离段气动设计

采用等激波角设计方法并考虑温度、激波与附面层干扰等的影响，对超音速燃烧冲压发动机的二维混压式高超音速前体／进气道和隔离段的设计进行了探索，给出了前体／进气道和隔离段的几何结构和尺寸。运用二维CFD数值计算手段，对所设计进气道结构进行了修正，并计算了设计状态和非设计状态性能和流场。研究表明，文中所设计的进气道结构简单、附加阻力较小、总压恢复系数较高，所给出的设计方法对于前体／进气道和隔离段的初步设计具有较好的适用性。     

射频放电等离子体激励对激波/边界层干扰的控制效果

在空气静止、气压为12 kPa（对应超声速风洞试验段的气压）条件下,研究射频放电等离子体的光谱特性;在马赫数为2的超声速来流中,研究射频放电等离子体激励对激波/边界层干扰非定常性的控制效果. 实验结果表明：在相同的激励频率下,随着加载功率的增大,表征电子温度的相对光谱强度增大,而表征振动温度和电子密度的相对光谱强度基本保持不变;保持加载功率不变,随着激励频率的增大,表征电子温度的相对光谱强度先增大后减小,而表征振动温度和电子密度的相对光谱强度没有明显变化. 在未施加激励时,激波振荡的主导频率为低频;在施加射频放电等离子体激励后,激波低频振荡减弱,高频振荡增强,激波特征频率从低频转向高频,再附边界层出现高能量漩涡结构.     

SK型静态混合器对原油混合特性影响的数值模拟

静态混合器作为一种新型高效的混合设备,因具有混合效果好、操作简单等优点而被广泛应用于工业生产。将SK 型静态混合器引入原油储罐中,以解决原油密度分布不均匀的问题。利用FLUENT软件,对其三维不可压缩流场进行了数值模拟;采用Eulerian多相流模型,模拟了SK型静态混合器中流体的速度场、密度场、温度场以及压力场。结果表明,在SK型静态混合器的螺旋叶片作用下,原油沿着叶片做方向相反的螺旋运动并呈周期性变化;通过叶片的切割、剪切和旋转作用,原油在出口处几乎混合完全,说明SK型静态混合器具有较好的混合效果,且压力损失较小,可降低能耗成本。     

Characteristics of supersonic flow in new type externally pressurized spherical air bearings

In order to predict accurately the characteristics of supersonic flow in new type externally pressurized spherical air bearings under large bearing clearance and high air supply pressure, which could decrease their load carrying capacity and stability, a CFD-based analysis was introduced to solve the three-dimensional turbulent complete compressible air flow governing equations. The realizable κ-ɛ model was used as a turbulent closure. The supersonic flow field near air inlets was analyzed. The flow structures illustrate that the interaction exists between shock waves and boundary layer, and the flow separation is formed at the lower corner and the lower wall around the point of a maximum velocity. The numerical results show that the conversion from supersonic flow to subsonic flow in spherical air bearing occurs through a shock region (pseudo-shock), and the viscous boundary layer results in the flow separation and reverse flow near the shock. The calculation results basically agree with the corresponding experimental data.