超聲速混合層增長(zhǎng)特性及混合增強(qiáng)機(jī)理研究.pdf

1、高速空氣與燃?xì)獾幕旌吓c燃燒過(guò)程直接影響著組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能。但在有限的燃燒室尺寸內(nèi)，空氣與燃?xì)獾鸟v留時(shí)間非常短，且壓縮性抑制著混合層的增長(zhǎng)率。因此，如何在短距離內(nèi)提高空氣與燃?xì)獾幕旌下室恢笔前l(fā)動(dòng)機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)。本文以空氣與燃?xì)饣旌线^(guò)程為研究背景，以超聲速混合層為研究對(duì)象，采用理論建模、RANS/LES數(shù)值仿真以及NPLS/PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，研究了超聲速混合層的增長(zhǎng)和混合特性，分析了混合層標(biāo)量混合的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，研究

2、了上游擾動(dòng)、斜激波、流向渦以及流向壓力對(duì)混合層增長(zhǎng)與混合特性的影響，提出了各個(gè)方法的混合增強(qiáng)機(jī)理及混合有效性。
　　首先，研究了超聲速混合層的增長(zhǎng)與混合特性。分析了混合層從大尺度卷吸、小尺度輸運(yùn)到分子擴(kuò)散的混合過(guò)程，區(qū)分了混合層的增長(zhǎng)與混合特性，并給出了增長(zhǎng)率與混合率的計(jì)算公式。分析了混合層大尺度渦結(jié)構(gòu)的三維演化過(guò)程，認(rèn)為發(fā)卡渦是混合層轉(zhuǎn)捩階段的主要結(jié)構(gòu)。由于發(fā)卡渦的上下掃掠，引起混合層厚度和混合率增長(zhǎng)。指出混合層的標(biāo)量混合是湍流

3、對(duì)流引起的標(biāo)量混合界面拉伸和標(biāo)量梯度引起的擴(kuò)散，而且湍流對(duì)流的標(biāo)量界面拉伸是促進(jìn)混合層標(biāo)量混合的主要因素。此外，混合層標(biāo)量也存在自相似特性，標(biāo)量平均場(chǎng)分布與速度平均場(chǎng)類似，但標(biāo)量脈動(dòng)場(chǎng)呈現(xiàn)雙峰構(gòu)型分布，這與速度脈動(dòng)場(chǎng)的高斯分布不同。
　　隨后，研究了上游擾動(dòng)對(duì)混合層近場(chǎng)發(fā)展的影響，分析了擾動(dòng)頻率和振幅對(duì)混合層近場(chǎng)增長(zhǎng)率的影響。指出擾動(dòng)頻率控制著混合層的展向渦尺寸，在特征頻率擾動(dòng)下，混合層卷起規(guī)則有序的渦結(jié)構(gòu)，渦的尺寸由擾動(dòng)頻率和混

4、合層對(duì)流速度決定，并與擾動(dòng)振幅無(wú)關(guān)。高頻和高振幅均可提高展向渦卷起速率，從而提高混合層近場(chǎng)增長(zhǎng)率，但高頻抑制其他亞諧波的發(fā)展，不利于混合層進(jìn)一步的增長(zhǎng)。相對(duì)于單頻擾動(dòng)，雙頻擾動(dòng)是更為有效地增強(qiáng)混合方式。尾緣厚度也影響著混合層近場(chǎng)增長(zhǎng)率，當(dāng)尾緣厚度的脫落頻率是混合層特征頻率時(shí)，脫落頻率是混合層初始渦卷起的主宰頻率。此外，鋸齒型尾緣結(jié)構(gòu)也可明顯提高混合層增長(zhǎng)率。
　　建立了斜激波與混合層相互作用的參數(shù)求解模型和渦變模型。并采用已有模型

5、、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文建立模型的正確性。通過(guò)建立的模型，可預(yù)估激波后的混合層增長(zhǎng)率和展向渦增量。一般情況下，激波會(huì)提高混合層的增長(zhǎng)率。但當(dāng)來(lái)流速度梯度與密度梯度相反時(shí)，混合層增長(zhǎng)率可能會(huì)下降，這是由于激波后的上下兩層來(lái)流的速度衰減程度不一樣。激波對(duì)混合層大尺度渦的演化過(guò)程影響不大，但影響著混合層小尺度渦輸運(yùn)過(guò)程，經(jīng)過(guò)激波后，混合層的湍流脈動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力均增大。
　　然后，分析了流向渦增強(qiáng)混合的主要機(jī)理，并討論了波瓣混合器下

6、游流場(chǎng)的渦演化特性和標(biāo)量混合特性。流向渦增強(qiáng)混合的機(jī)理有兩點(diǎn)：一是大尺度流向渦對(duì)剪切層的拉伸作用，擴(kuò)大了混合區(qū)域；二是大尺度流向渦在展向渦的“剪切”作用下逐漸破碎成為小尺度渦結(jié)構(gòu)，這極大地拉伸了標(biāo)量接觸界面表面積，從而增強(qiáng)標(biāo)量混合。在流向渦混合流下游遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了二次K-H渦，這種結(jié)構(gòu)存在于大尺度擬序結(jié)構(gòu)內(nèi)。此外，T型和卷起結(jié)構(gòu)同樣存在于小尺度渦輸運(yùn)流場(chǎng)內(nèi)。波瓣混合器增強(qiáng)混合的機(jī)理是波瓣尾緣褶皺構(gòu)型拉伸了標(biāo)量界面和在流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生了流向