论文部分内容阅读
超-超引射器可以减小引射系统的总体尺寸,同时还具有提高系统性能的潜在优势。然而,目前对超-超引射器内的流动特性以及两股超声速射流在引射管道约束下的相互作用及其混合过程鲜有报导。因而,对超-超引射器进行深入研究具有重要的工程应用价值和学术意义。本文综合运用理论分析、实验手段和数值仿真,对超-超引射器的压力匹配和压力恢复等特性进行了深入研究,并对超-超引射器内混合层的发展特点和能量交换规律等机理问题进行了分析。确定引射器中性能损失的来源对于超声速引射器的设计具有重要的指导意义。本文运用热力学中的熵增分析方法,首先对等截面超-超引射器中各种性能损失因素进行了分析,并深入考察了不同工况下各类损失在引射器总体性能损失中所占的比例。随后,结合等截面超-超引射器的一维设计理论,确定了等截面超-超引射器的最优性能点。超声速引射器启动过程中的非定常性和极强的非线性效应使得对该过程的研究存在诸多难点,特别地,有关二次流对超声速引射器启动性能影响的研究目前仍无统一的结论。本文对超声速引射器带不同二次来流时的启动压力进行了测定,深入和系统地研究了不同流量的二次流对超声速引射器启动性能的影响,并采用现代气体动力学理论对二次流影响超声速引射器启动性能的机制进行了深入分析。对等截面超-超引射器内的典型流场结构进行了深入分析,并定义了相应的三类极限压比状态,同时发展了考虑斜激波修正的极限压比理论分析模型,大大提高了对等截面超-超引射器极限压比的预测精度。对不同构型的等截面超-超引射器的压力匹配和压力恢复性能进行了系统的研究,结果表明,等截面超-超引射器在背压影响下形成的扩压和混合同时进行的流动模式使得最大增压比的实验结果远低于理论预测值;二次流马赫数的增加提高了等截面超-超引射器的压力匹配性能,但同时降低了引射器的压力恢复性能;一次流马赫数的增加使等截面超-超引射器的压力匹配性能略有下降,但一次流马赫数改变时引射器的压力恢复性能变化不大;一、二次流总压比的提高降低了引射器的压力恢复性能;一次流冲击角的存在降低了引射器的压力匹配性能,但同时使得引射器的压力恢复性能有所提高。对变截面超-超引射器中超-超引射流场建立的动态过程进行了分析,并对变截面超-超引射器的压力匹配性能和压力恢复性能进行了系统的研究。变截面超-超引射器中型面收缩的混合室所导致的强逆压梯度降低了引射器的压力匹配性能。当混合室收缩角较小时,参数对变截面超-超引射器压力匹配性能的影响与等截面超-超引射器类似,但在较大的混合室收缩角下,变截面超-超引射器的压力匹配规律与等截面超-超引射器存在较大区别。变截面超-超引射器中型面收缩的混合室使得气流在扩压激波前的马赫数大大下降,相应地降低了扩压过程中的总压损失,因而其压力恢复性能明显优于等截面超-超引射器。利用NPLS技术和超声速PIV技术对等截面超-超引射器内引射混合层的时空结构以及速度场结构进行了研究。同时,基于速度场结构对引射混合层的湍流结构和增长速度进行了研究。研究结果表明高速流体压力低于低速流体的压力不匹配状态抑制了引射混合层的增长;而在本文实验范围内,对流马赫数越高混合层的发展越快。建立了基于欧拉处理方法的时均流管分析模型,采用该模型对超-超引射器内动量和能量传递的规律进行了分析。研究结果表明一、二次流之间的压力不匹配和提高一次流温度均可以提高一次流和二次流之间动量和动能的传递速率;温度对引射器内总能量的传递过程具有决定性的作用;提高一、二次流的总温比对引射效率的改进比提高一、二次流总压比更为有效。