吳晉湘,田 亮,王 輝,王恩宇,茍 湘

(河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300132)

0 引 言

高超聲速飛行器是未來(lái)空天飛機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器的首選運(yùn)載工具,而超聲速燃燒則是高超聲速飛行不可回避的技術(shù)。俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)中央研究院 (CIAM)首次成功地把凹腔作為超聲速燃燒火焰穩(wěn)定器[1]。目前,凹腔被作為集燃料噴射、混合及火焰穩(wěn)定為一體的火焰穩(wěn)定器是其中最具潛力的一種。Maureen B.Tracy和E.B.Plentovich等研究了亞音速和跨音速時(shí)不同尺寸的凹腔流場(chǎng)特征[2]。Stallings和Wilcox[3]把凹腔流動(dòng)分為開(kāi)放、閉合和過(guò)渡型三種類型。對(duì)于超聲速氣流,L/D＜10為開(kāi)放型凹腔,L/D＞13為閉合型凹腔,L/D=10～13為過(guò)渡型凹腔,本文也采用這種分類方法。國(guó)內(nèi)針對(duì)凹腔火焰穩(wěn)定器對(duì)燃燒室內(nèi)流動(dòng)影響的研究主要集中在其長(zhǎng)身比、后略斜坡角度和燃料噴射位置對(duì)燃燒室內(nèi)溫度、壓力、燃燒效率和總壓損失的影響[4～8],對(duì)凹腔內(nèi)流動(dòng)的研究主要集中在其自激震蕩、剪切層的產(chǎn)生發(fā)展和其內(nèi)部大尺度渦的產(chǎn)生發(fā)展[9]。

為了進(jìn)一步探究凹腔內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn),作者自行設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的小型超音速風(fēng)洞,由氣源、管道、Laval噴管和實(shí)驗(yàn)段組成。通過(guò)油流顯示技術(shù),對(duì)廣泛研究的矩形凹腔內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察,目的在于找到一種合適的實(shí)驗(yàn)方法,為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。本文還針對(duì)凹腔增強(qiáng)混合技術(shù),提出了一種不同一般矩形凹腔的人字形凹腔 (Herringbone-head cavity),并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)觀察。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括氣源系統(tǒng)、管道、閥門(mén)組、Laval噴管、實(shí)驗(yàn)段、測(cè)量?jī)x表和視頻采集系統(tǒng)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)馬赫數(shù)為2,背壓1 atm,工作時(shí)間1 min。氣源包括空壓機(jī)、干燥器和氣罐。為達(dá)到設(shè)計(jì)條件,采用小氣罐高壓儲(chǔ)氣,再經(jīng)過(guò)節(jié)流減壓至所需壓力。選用1 m3氣罐兩個(gè),最高工作壓力3 MPa。為保證安全,設(shè)定空壓機(jī)最高工作壓力3 MPa。干燥器選用吸附式干燥。主管道采用50號(hào)無(wú)縫鋼管,由于需要控制流速,在噴管前端設(shè)置有擴(kuò)散段和穩(wěn)定段,穩(wěn)定段中設(shè)有阻尼網(wǎng),用來(lái)使氣流均勻。噴管型線通過(guò)編程計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)段為寬×高×長(zhǎng)=20 mm×30 mm×200 mm模擬超音速燃燒室,底部設(shè)有深度為6 mm的凹腔,其長(zhǎng)度可調(diào),如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental installation

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

在進(jìn)行凹腔實(shí)驗(yàn)前,先對(duì)風(fēng)洞性能進(jìn)行測(cè)試。風(fēng)洞為暫沖式下吹風(fēng)洞,直排大氣。由于風(fēng)洞中的流速非常高,油流顯示技術(shù)中,調(diào)和劑的粘性要比較大,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),選用機(jī)油調(diào)制,示蹤粒子選用顆粒度很小的鈦白粉 (粒徑以10 μ m為宜)。實(shí)驗(yàn)前將混合物涂于凹腔的底部和側(cè)壁,待實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行拍照觀察。

2.1 風(fēng)洞性能測(cè)試

噴管中氣流達(dá)到超音速必須滿足三個(gè)條件:幾何條件、力學(xué)條件和流量條件。噴管在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)達(dá)到幾何條件,在測(cè)試時(shí)噴管上游壓力0.8 MPa,流速約 30 m/s,此時(shí)測(cè)得噴管出口(實(shí)驗(yàn)段入口)壓力0.09 MPa。風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)高壓氣體迅速膨脹,溫度急劇降低,在管道表面能夠明顯看到結(jié)霜。由于條件有限,無(wú)法測(cè)量主管道內(nèi)氣流準(zhǔn)確溫度,本文采用間接方法測(cè)量其平均流量,即利用試驗(yàn)前后氣罐內(nèi)氣體質(zhì)量差計(jì)算流量。風(fēng)洞參數(shù)見(jiàn)表1。為了實(shí)驗(yàn)中控制方便,壓比值為8?？梢钥闯?風(fēng)洞達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,氣流達(dá)到超音速。但由于噴管出口截面小,本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有測(cè)量噴管出口氣流均勻度。

表1 風(fēng)洞參數(shù)Tab.1 Parameter of the wind tunnel

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)氣流總壓0.8 MPa,平均總溫 (通過(guò)平均流量計(jì)算得到)約242.5 K,這個(gè)溫度值與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最低溫度值 (238 K)接近。圖2為實(shí)驗(yàn)段及其內(nèi)部凹腔形狀示意圖,a為矩形斜凹腔、b為矩形平凹腔、c為人字形斜凹腔、d為人字形平凹腔。本文將氣流流動(dòng)方向定義為流向(x軸),與流向垂直的實(shí)驗(yàn)段寬度和高度方向分別定義為展向 (y軸)和縱向 (z軸)。

圖2 實(shí)驗(yàn)段及凹腔形狀Fig.2 Experimental section and the shape of cavities

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)常見(jiàn)的矩形平凹腔底部油流進(jìn)行了觀察。圖3(a)～(e)為矩形平凹腔,(f)為矩形斜凹腔,主氣流從左 (前緣)向右 (后緣)流動(dòng)?？梢钥闯?(a)、(b)、(d)、(e)中有一對(duì)縱向渦位于前緣處,這是凹腔的回流氣流遇到前緣向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)形成的。(a)、(b)、(c)的痕跡線較為凌亂,其原因可能是凹腔上部的自由剪切層的不穩(wěn)定造成的。(d)為接近開(kāi)式的過(guò)渡式凹腔,(e)為開(kāi)式凹腔,自由剪切層跨越整個(gè)凹腔而沒(méi)有對(duì)凹腔內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響,因此的痕跡線較為整齊。(f)中后緣變?yōu)?5°斜坡,對(duì)自激震蕩有一定的抑制作用,與 (b)相比較其痕跡線相對(duì)整齊。從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出,開(kāi)式凹腔的內(nèi)部回流有向中心匯聚的趨勢(shì),其原因是凹腔前部壓力相對(duì)較低,使凹腔中部?jī)蓚?cè)的氣流向中心匯聚回到前緣,這也可以從數(shù)值模擬的結(jié)果中看出。圖4為距凹腔底部1 mm截面處的壓力等值線和速度矢量的數(shù)值模擬結(jié)果,與圖3比較可知對(duì)應(yīng)于頭部縱向渦處存在兩個(gè)低壓區(qū)。

圖3 矩形凹腔試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of experiment in rectangle cavities

圖4 L/D=13.3矩形斜凹腔底部數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 L/D=13.3 results numerical simulation of slanting-rectangle cavity at the bottom

圖5是人字形凹腔底部的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出人字形凹腔底部氣流向中心線匯聚的趨勢(shì)比矩形凹腔強(qiáng),人字形結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響是顯著的。圖5中 (a)和 (b)分別是閉式與開(kāi)式人字形斜凹腔的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果,由于計(jì)算機(jī)性能限制,網(wǎng)格相對(duì)較粗,與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不盡相同,但是總體的趨勢(shì)是一致的,說(shuō)明數(shù)值模擬能夠反映出真實(shí)流動(dòng)。閉式凹腔的回流相對(duì)開(kāi)式較弱,開(kāi)式凹腔在前緣兩尾翼處有一對(duì)明顯的縱向渦。

圖5 人字形斜凹腔實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果Fig.5 Comparison of numerical simulation and experiment of herringbone-slanting cavities

為了觀察試驗(yàn)段內(nèi)的流動(dòng)情況,圖6將沿流動(dòng)方向左側(cè)壁面的實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是壁面油流的痕跡,模擬結(jié)果顯示的是距壁面1 mm處粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡,灰度表示壓力分布。圖中可以清晰的看到后緣處產(chǎn)生的激波及其反射的情況。不同的是,在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中撲捉到了前緣處的一道邊界層分離線,其原因可能是噴管出口與實(shí)驗(yàn)段連接處的不平整對(duì)氣流的擾動(dòng)造成的;后緣產(chǎn)生的斜激波入射到上壁面也產(chǎn)生了激波-邊界層分離。而數(shù)值模擬由于網(wǎng)格的限制,未能撲捉到前緣類似激波-邊界層分離這樣細(xì)微的流動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 L/D=8人字形凹腔左側(cè)壁面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果Fig.6 L/D=8 result of experiment and numerical simulation at left side of experimental section

本文在實(shí)驗(yàn)中觀察過(guò)凹腔側(cè)壁的流動(dòng),但是沒(méi)有撲捉到明顯的回流渦,原因是凹腔內(nèi)相對(duì)主流是是低速流動(dòng)區(qū)域而實(shí)驗(yàn)采用的凹腔深度較小,并且涂抹介質(zhì)的粘性比較大,無(wú)法獲得低速流動(dòng)的清晰結(jié)果。

3 結(jié) 論

本文所搭建的超音速實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求,為實(shí)驗(yàn)段提供了基本符合要求的超音速氣流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表明:

(1)矩形凹腔底部的氣流有向中心匯聚的趨勢(shì),并且長(zhǎng)深比越大的凹腔這種現(xiàn)象就更明顯。

(2)人字形結(jié)構(gòu)對(duì)凹腔內(nèi)流動(dòng)的影響顯著,增強(qiáng)了氣流的展向流動(dòng),為流向渦的產(chǎn)生提供了條件。

(3)人字形凹腔與矩形凹腔在前緣處都會(huì)產(chǎn)生縱向渦。

(4)實(shí)驗(yàn)中油流介質(zhì)應(yīng)根據(jù)不同流速和不同尺度的區(qū)域加以選擇和調(diào)制,以便更好地獲取流動(dòng)信息。

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