基于波瓣混流器的流場(chǎng)特性分析.pdf

1、論文以高效氣氣摻混技術(shù)為研究背景，綜合采用混合 RANS/LES方法、納米粒子平面激光散射技術(shù)（NPLS）和PIV技術(shù)研究了被動(dòng)混合增強(qiáng)部件—矩形波瓣混流器下游的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性和摻混特性。
　　結(jié)合國內(nèi)外波瓣混流器研究成果，論文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)研究所采用的矩形波瓣構(gòu)型。實(shí)驗(yàn)在吸氣式超聲速混合層風(fēng)洞中開展，實(shí)驗(yàn)首先對(duì)風(fēng)洞的實(shí)際對(duì)流馬赫數(shù)和實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行了校準(zhǔn)，有效地保證了風(fēng)洞的流場(chǎng)質(zhì)量，噴管出口上下側(cè)壓力匹配，風(fēng)洞的實(shí)際校測(cè)對(duì)流馬赫數(shù)為

2、0.22。
　　論文通過三維超聲速混合層算例驗(yàn)證 RANS/LES方法的可靠性。基于仿真結(jié)果，采用渦結(jié)構(gòu)識(shí)別的Q方法準(zhǔn)確地提取了波瓣結(jié)構(gòu)下游流場(chǎng)的大尺度流向渦和K-H渦結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明波瓣結(jié)構(gòu)下游主要有三個(gè)大尺度的流向渦，分別在波瓣尾緣的三個(gè)平行豎直壁下游形成。這三個(gè)流向渦結(jié)構(gòu)是波瓣下游流場(chǎng)的主導(dǎo)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其突出的旋轉(zhuǎn)特性會(huì)明顯地改變K-H渦的運(yùn)動(dòng)特性，而流向渦自身的運(yùn)動(dòng)并沒有受到明顯的影響，這一點(diǎn)和低速條件下流向渦與K-H渦之間的

3、作用規(guī)律不同。三個(gè)流向渦中位于中間的一個(gè)在尺度上均明顯大于另外兩個(gè)流向渦，能強(qiáng)烈地在渦的一側(cè)將下層氣流卷吸到上層，而在渦的另一側(cè)將上層氣流卷吸到下層，這種強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)作用也會(huì)微弱影響位于其兩側(cè)的兩個(gè)流向渦的運(yùn)動(dòng)特性，使一個(gè)在向下游運(yùn)動(dòng)過程中微弱上移，另一個(gè)微弱下移。
　　通過分析波瓣混流器下游的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，流向渦的形成與波瓣構(gòu)型導(dǎo)致的壓力分布不均密切相關(guān)：氣流在流經(jīng)矩形波瓣的斜坡時(shí)，會(huì)改變來流的壓力匹配狀況，使流場(chǎng)靜壓在展向

4、和縱向均表現(xiàn)出分布不均的狀態(tài)，這種壓力分布不均會(huì)放大初始位于拐角處的流場(chǎng)不穩(wěn)定，是形成流向渦的直接原因。
　　根據(jù)NPLS瞬時(shí)流場(chǎng)圖像，波瓣結(jié)構(gòu)下游由于剪切作用會(huì)形成K-H渦結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)和超聲速平面自由剪切層中形成的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一致，K-H渦的尺度及其增長(zhǎng)速度要明顯小于流向渦結(jié)構(gòu)。初始的K-H不穩(wěn)定性對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有重要影響，主要表現(xiàn)為流場(chǎng)下游由較多小尺度渦結(jié)構(gòu)組成的有序分布的渦團(tuán)。流向渦的破碎與流向渦邊緣出現(xiàn)并逐漸增長(zhǎng)的二次不穩(wěn)定性

5、密切相關(guān)，這種不穩(wěn)定性起始于由流向渦旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的兩層氣流之間形的強(qiáng)烈三維剪切作用。流向渦破碎形式是從流向渦邊緣開始逐漸向內(nèi)蔓延，這和低速條件下流向渦直接碎裂成更多小尺度流向渦的破碎形式不同。
　　增加瓣高能夠明顯提高流向渦的強(qiáng)度和標(biāo)量混合度，其中標(biāo)量混合度沿流向總體呈線性增加趨勢(shì)。增加瓣高能夠明顯強(qiáng)化多種與摻混效果直接關(guān)聯(lián)的因素，包括：流向渦尺度、氣體界面長(zhǎng)度以及湍流度。但增加瓣高的缺點(diǎn)也很明顯，即導(dǎo)致總壓損失的明顯增加，這主要是由