高雷諾數(shù)超聲速混合層標量輸運與擴散特性研究進展

1、1高雷諾數(shù)超聲速混合層標量輸運與擴散特性研究進展高雷諾數(shù)超聲速混合層標量輸運與擴散特性研究進展?沈赤兵12，石少平3，馮軍紅12（1.國防科技大學航天科學與工程學院，湖南長沙410073；2.國防科技大學高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室，湖南長沙410073；國防科技大學訓練部，湖南長沙410073）摘要：組合循環(huán)發(fā)動機內(nèi)部的富燃燃氣與空氣的混合過程具有高雷諾數(shù)、超聲速混合的特點，混合層內(nèi)的溫度、組分濃度等標量輸運與擴散過程是制約氣氣混

2、合與燃燒過程的重要因素。高雷諾數(shù)條件下，混合層內(nèi)的湍流尺度、動量與標量輸運和擴散、渦形態(tài)、標量界面演化呈現(xiàn)更為復雜的物理機制。本文闡述了超聲速混合層標量混合在組合循環(huán)發(fā)動機中的應用背景，綜述了超聲速混合層以及超聲速混合層標量混合過程的國內(nèi)外研究進展，針對高雷諾數(shù)超聲速混合層標量輸運與擴散特性研究中存在的不足提出了解決辦法，指出了該領域值得深入開展的研究方向。關鍵詞：組合循環(huán)發(fā)動機；超聲速混合層；標量混合；雷諾數(shù)；強化混合中圖分類號：V4

3、37文獻標識碼：A文章編號：15100008ScalartransptdiffusionstudyprogressofsupersonicmixinglayerwithhighReynoldsnumberSHENChibing12SHIShaoping3FENGJunhong12(1.CollegeofAerospaceScienceEngineeringNationalUniversityofDefenseTechnologyChan

4、gsha410073China；2.ScienceTechnologyonScramjetLabatyNationalUniversityofDefenseTechnologyChangsha410073China；3.TrainingDepartmentNationalUniversityofDefenseTechnologyChangsha410073China)Abstract：Themixingprocessesoffuelri

5、chgasairinthecombustofcombinedcycleenginewasviewedasthesupersonicmixinglayerwhichwasfeaturedbythehighReynoldsnumber.Meoverthetransptdiffusionprocessesofscalarsincludingtemperatureconcentrationwereimptantfactsfcontrolling

6、thegasgasmixingcombustionprocess.UnderhighReynoldsnumbertheturbulencescalethetransptdiffusionofscalarvtexshapescalarinterfacialareaofthemixingflowfieldrevealedmecomplexphysicalmechanisms.Inthispapertheapplicationbackgrou

7、ndofthescalarmixinginthesupersonicmixinglayeronthecombinedcycleenginewasintroducedthestudyprogressofthesupersonicmixinglayerthescalarmixingprocessinthesupersonicmixinglayerbothathomeabroadwassummarizedthenthemethodsfcoun

8、teractingtheshtcomingsofthestudyonscalartransptdiffusionacteristicsofsupersonicmixinglayerwithhighReynoldsnumberwereproposed.Finallysomedirectionsbeingwthstudyingdeeplyinthefieldwerepointedout.Keywds：combinedcycleengines

9、upersonicmixinglayerscalarmixingReynoldsnumberintensifyingmixing.?收稿日期：收稿日期：2015109基金項目：基金項目：國家自然科學基金資助項目（11572346）作者簡介：作者簡介：沈赤兵（1968—），男，博士，研究員，博士生導師。Email:cbshen@nudt.高效氣氣摻混與燃燒組織技術是組合循環(huán)發(fā)動機急需突破的關鍵技術，而發(fā)動機內(nèi)部的富燃燃氣與空氣混合過程可抽

10、象為高雷諾數(shù)超聲速標量混合物理現(xiàn)象。高雷諾數(shù)下的溫度、組分濃度等標量輸運與擴散過程仍然是制約氣氣燃燒的重要因素。隨著高超聲速飛行器的興起和發(fā)展，以超燃沖壓發(fā)動機為工程牽引，可壓縮混合層以及超聲速混合層獲得了長足的發(fā)展；混合層發(fā)展的三個方面，混合層穩(wěn)定性分析、數(shù)值仿真以及實驗研究都日臻成熟；許多重要的結論，包括混合層的慣性不穩(wěn)定、擬序結構的出現(xiàn)與演化以及混合層增長率受到壓縮性抑制等都得到了普遍的認可和應用。但是近些年，隨著新型3混合層研究

11、開始于上世紀40年代，采用的最為基礎的研究方式是理論分析[5]，根據(jù)剪切層方程進行混合層下游速度、厚度等一些基本參數(shù)的推導。Townsend(1956)[6]發(fā)展了混合層的相似理論，認為混合層在足夠高的雷諾數(shù)和足夠長的流向距離內(nèi)，混合層的平均速度分布輪廓、雷諾應力等統(tǒng)計量只取決于自相似變量，與流向距離x無關，接近于相似解，則認為混合層發(fā)展為自相似狀態(tài)（“selfpreserving”）。隨著Michalke(1964)[7]線性穩(wěn)定性分

12、析得出混合層的無粘不穩(wěn)定特性，Brown和Roshko(1974)[8]擬序結構的發(fā)現(xiàn)以及近代數(shù)值仿真技術的興起，混合層的研究逐漸形成的最主要的三種手段：理論研究（線性穩(wěn)定性分析），實驗研究和數(shù)值仿真。在混合層研究中，最為關心的一個參數(shù)是混合層增長率。研究發(fā)現(xiàn)，在混合層自相似區(qū)域內(nèi)，混合層呈線性增長趨勢。Abramowich（1963）[9]和Sabin（1965）[10]提出了常密度、不可壓縮流體的混合層增長率關系式：(1)11drC

13、dxr?????式(1)中，δ為混合層厚度，r＝U2U1為兩股氣流的速度比，Cδ為常數(shù)。此關系式也可稱為AbramowichSabin關系式。雖然這個關系式可較好地應用于不壓縮混合層中，但是，Birch和Eggers（1973）[11]在研究可壓縮混合層中發(fā)現(xiàn)，由于關系式中密度為常值，因而未能準確預測超聲速混合層的混合增長率抑制過程。為了考慮密度變化的影響，Brown（1974）[12]通過研究平板混合層導出并驗證了應用更為廣泛的混合層

14、增長率。(2)(1)(1)1drsCdxrs??????在隨后的實驗研究中，Konrad（1976）[13]進一步證實了混合層增長率和密度比（s＝ρ2ρ1）的相關性，并認為混合層上下邊界處的卷吸過程并不對稱。以此為基礎，Dimotakis(1986)[14]認為Brown(1974)[12]提出的混合層的增長與卷吸理論和Konrad的實驗結果不符的原因是未考慮混合層發(fā)展的不對稱性，由此，他提出了混合層空間增長率的計算公式，并總結了對于自

15、然發(fā)展的自由剪切流混合層增長率式中的系數(shù)Cδ的范圍。盡管如此，Brown和Roshko(1974)[8]在研究低速不可壓和超聲速流中，在相同的密度和速度比下，增長率仍存在明顯的差異，說明壓縮性單獨地影響著混合層的增長率。Bogdanoff(1983)[15]基于大尺度渦結構的速度（相對于自由流）首次提出了幾何平均馬赫數(shù)概念，Papamoschou和M?Roshko（1988）[16]通過實驗用一個特定的參數(shù)界定自由剪切層中的壓縮性效應，

16、并以此為基礎定義了兩股氣流的對流馬赫數(shù)Mc：(3)12121212cccUUUUUUMaaaa???????(4)122112cUaUaUaa???上式中，a1、a2分別為氣流1和氣流2的當?shù)匾羲?。文獻[16]提出了規(guī)范化的可壓縮混合層增長率（定義為可壓縮混合層增長率與不可壓混合層增長率之間的比值），從而將傳統(tǒng)的影響增長率的三個主要因素（速度比、密度比以及對流馬赫數(shù)）分割成為兩個關系式，第一個是不可壓縮混合層增長率關系式，即可采用不可壓

17、混合層增長率計算公式進行計算，第二個關系式是將對流馬赫數(shù)作為壓縮性參數(shù)對不可壓縮混合層增長率進行壓縮性修正。隨后，第二個關系式可通過實驗數(shù)據(jù)（Dimotakis1991[17]；Papamoschou1992[18]）進行擬合或者從直接數(shù)值模擬（Vremanetal.1996[19]）結果中進行提取。當然一些研究者[20]仍然對對流馬赫數(shù)這一參數(shù)提出了質(zhì)疑，認為其不能準確反映壓縮性對混合層增長率的影響規(guī)律，并提出了新的壓縮性參數(shù)。此外，