横向脉冲气体射流非定常流动特性研究

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横向气体射流广泛存在于超燃冲压发动机燃料喷射、飞行器姿态调整、气膜冷却等工程应用中。相比定常射流,横向脉冲气体射流可提升流动混合效率与作用效果,蕴含着复杂的流动机理问题,相关研究具有显著的工程意义和科学价值。本文采用计算流体力学(CFD)模拟和实验研究相结合,对脉冲气体射流实验装置、横向脉冲气体射流参数影响规律开展研究,主要如下。首先设计一种脉冲射流发生装置,并同超声速流动实验台结合,搭建了横向脉冲气体射流实验平台。采用CFD计算软件的用户自定义函数(UDF)功能,发展了一套横向脉冲气体射流的数值模拟方法,包括二维和三维流动下射流孔参数的选择。研究了二维粘性流动,脉冲射流压强随时间正弦变化下频率(200-2000Hz),时均压比(射流与来流总压比1.5-4),脉动幅度(0.245-0.98倍来流总压)的影响规律。其中,随着频率增加,射流对流场的扰动效应减弱;壁面流向压强的时均值随着频率增加基本不变,压强均方差减小;射流下游截面的动压随频率变化较复杂,其时均值在200Hz工况最大,其余工况差异很小,均方差无明显规律。随压比增加,流场波系结构振荡幅度增加,壁面压强时均值、射流下游截面动压时均值随压比增大而升高,二者均方差无明显规律;其中射流下游截面动压均方差在压比为1.5时最大。随着脉动幅度增大,流场的脉动效果更明显,壁面压强以及射流下游截面动压的时均值、均方差均增大,同一位置最低和最高时均值相差约52倍来流静压。此外,对比了方波脉冲与正弦脉冲横向射流流动,二者流场振荡范围相近,流场参数的时均值基本相同,但方波脉冲工况流场参数的均方差明显大于正弦脉冲工况。在二维模拟基础上,三维数值模拟研究了射流频率(200-1000Hz)、时均压比(1.5-4倍来流总压)的参数规律,以及正弦与方波波形对比。随着射流频率增加,流场结构差异并不显著;流向压强时均值、均方差以及射流下游截面动压时均值的差异较小,但下游截面动压的均方差随频率增加而减小。随着压比增加,流场波系振荡范围增大;壁面压强时均值最大波峰增加,上壁面压强最大均方差减小、下壁面增加;射流下游(10-20)倍孔径范围内,截面动压时均值增加、均方差减小。此外,方波脉冲与正弦脉冲对流场参数的时均值影响很小,但方波脉冲工况流场参数的均方差要大于正弦脉冲工况。对比二维和三维模拟结果,二维流动模拟整体上与三维结果相符,但二维流动模拟难以刻画弓形激波、桶状激波等三维波系与主流流场的作用,在流场参数均方差以及射流孔壁面压强时均值等方面差异显著。其中下壁面压强时均值、均方差差异可达约6倍来流静压。在数值模拟外,采用本征正交分解(POD)和动力学模态分解(DMD)对对前期脉冲射流流场的纹影图片进行分析。针对激励频率(30-100Hz)、射流压比(1.5-3)的纹影图像,POD分析表明,压比为2,60Hz和100Hz工况的POD时间系数的功率谱密度第一波峰频率与激励频率基本一致,但DMD分析得到的主导频率与射流频率相差较大。激励频率为60Hz,射流压比2和3工况下POD时间系数的功率谱密度第一波峰频率与射流频率基本一致,但DMD分析方法得到的主导频率与射流频率符合较差。将前期脉冲射流装置和本文装置进行对比,分析了射流脉冲幅度的影响因素,评估了本文装置的优化效果。
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