張保雷,上官燕琴,王嫻,*,陳剛,李躍明

1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049

2.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 陜西省先進(jìn)飛行器服役環(huán)境與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049

低雷諾數(shù)下橫流-射流中剪切渦的試驗(yàn)研究

張保雷1,2,上官燕琴1,2,王嫻1,2,*,陳剛1,2,李躍明1,2

1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049

2.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 陜西省先進(jìn)飛行器服役環(huán)境與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049

為深入分析橫流-射流(JICF)的流動(dòng)特性及其中的復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu),從流動(dòng)機(jī)理上研究燃機(jī)葉片氣膜冷卻,揭示高溫燃?xì)饬髋c冷卻流的摻混機(jī)理,本文對(duì)橫向流中單孔射流所形成的剪切渦開(kāi)展了試驗(yàn)研究。主要研究了速度比、雷諾數(shù)及射流角對(duì)JICF所形成剪切渦的影響。結(jié)果表明:速度比、雷諾數(shù)以及射流角會(huì)改變主流與射流之間的摻混程度,從而改變射流軌跡的曲率、高度及垂向滲透能力,最終改變剪切渦的特性;迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦分別是由射流邊界層渦與主流邊界層渦形成的,當(dāng)主流邊界層渦強(qiáng)度大于射流邊界層渦時(shí),背風(fēng)渦是流場(chǎng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),反之,迎風(fēng)渦將成為流場(chǎng)的主要渦系結(jié)構(gòu)。

橫流-射流;速度比;雷諾數(shù);射流角度;剪切渦

當(dāng)流體從縫隙或者孔中以一定角度射出,且與外界環(huán)境中不同流向的流體相互作用時(shí),便產(chǎn)生了橫向流中的射流(Jet In Cross-Flow,JICF)問(wèn)題,如圖1所示。JICF在工程中具有重要應(yīng)用價(jià)值,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃機(jī)的透平葉片采用的氣膜冷卻,冷卻氣體從氣膜孔射出,與高溫主流相互作用,在氣膜孔附近及下游會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的三維非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]。氣膜冷卻效果難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的固有因素是葉片表面的復(fù)雜流場(chǎng)[2],其優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是工業(yè)界的難題之一。對(duì)高溫燃?xì)饬髋c冷卻流的摻混機(jī)理研究有賴于對(duì)JICF的深入研究。又如,鍋爐燃燒室中,控制燃燒必須要調(diào)節(jié)燃油和空氣的摻混,最終也歸結(jié)為JICF問(wèn)題。而諸多國(guó)防尖端技術(shù),如沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能分析,火箭推進(jìn)器的設(shè)計(jì)以及垂直起降飛行器(V/STOL)懸停時(shí)的氣動(dòng)特性分析,這些問(wèn)題的優(yōu)化、解決都依賴于對(duì)射流和主流間相互作用及摻混規(guī)律的深入了解。JICF作為流體力學(xué)中一種基本、典型的流動(dòng),涉及空氣動(dòng)力學(xué)、環(huán)境學(xué)、燃燒學(xué)、熱力學(xué)等。同時(shí),流動(dòng)過(guò)程中大尺度擬序結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展、卷入、破裂等動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程對(duì)擬序結(jié)構(gòu)理論、渦動(dòng)力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)的研究具有重要理論意義。圖2為Fric和Roshko[3]提出的JICF典型渦結(jié)構(gòu)概念圖。

目前關(guān)于JICF的研究十分廣泛。典型如:Gutmark等[4]利用二維PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)試驗(yàn)研究了吹風(fēng)比為3時(shí),橫流-射流中單孔、串聯(lián)雙孔射流的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),研究的流動(dòng)特性包括射流軌跡、滲透深度、射流前后緣的擴(kuò)展及尺寸大小。Salewski等[5]利用大渦模擬(LES)及試驗(yàn)方法研究了橫流-射流中的擬序結(jié)構(gòu)和摻混特性,對(duì)比了圓形、橢圓形、方形射流孔的平均速度場(chǎng)及湍流統(tǒng)計(jì)量。Kelso等[6]通過(guò)流動(dòng)可視化技術(shù)與熱線風(fēng)速儀研究了速度比為2～6橫向流中圓孔射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu),包括馬蹄渦、剪切渦和尾跡渦,并發(fā)現(xiàn)了在不同速度比下,尾跡渦在不同雷諾數(shù)下其不穩(wěn)定性機(jī)理也不相同。Lim等[7]試驗(yàn)研究了JICF的流動(dòng)結(jié)構(gòu),分析了渦環(huán)的變形及折疊,指出渦環(huán)的變形沒(méi)有完全顯示出實(shí)際的流動(dòng)。Mahesh[8]總結(jié)了有關(guān)JICF的相關(guān)研究,并明確指出在低吹風(fēng)比和低雷諾數(shù)下JICF的摻混規(guī)律與高吹風(fēng)比、高雷諾數(shù)下大不相同。Sau和Mahesh[9]采用直接數(shù)值模擬(DNS)的方法對(duì)JICF中渦環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性及輸運(yùn)、摻混特性進(jìn)行了研究。關(guān)暉和吳錘結(jié)[10]利用LES對(duì)JICF進(jìn)行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)JICF中占據(jù)主導(dǎo)地位的是渦環(huán)的拉伸、扭曲。郭婷婷等[11]研究了射流角度對(duì)射流軌跡的彎曲程度及湍動(dòng)能的影響,但其并未對(duì)渦系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本課題組基于GPU并行技術(shù),利用混合熱格子法對(duì)平板單孔射流、氣膜冷卻冷熱流摻混機(jī)理進(jìn)行了大規(guī)模直接數(shù)值模擬與大渦模擬研究[12-16],使用近2億計(jì)算網(wǎng)格,捕捉到了精細(xì)的渦系結(jié)構(gòu),分析了渦系間的相互作用及其對(duì)氣膜冷卻效率的影響。雖然JICF的相關(guān)研究十分廣泛[17-21],但對(duì)于JICF中典型渦系結(jié)構(gòu)(剪切渦、馬蹄渦、尾跡渦及反對(duì)稱渦),大多數(shù)研究者只關(guān)注主導(dǎo)橫向主流與射流摻混過(guò)程中的反對(duì)稱渦(CVP)[22-25],對(duì)剪切渦的研究較少。然而,剪切渦也在摻混過(guò)程中承擔(dān)了重要角色,其特性對(duì)射流的滲透能力有重要影響,同時(shí),也會(huì)影響反對(duì)稱渦的生成。與此同時(shí),目前對(duì)于低雷諾數(shù)下的JICF相關(guān)研究也較少。Gopalan等[26]做了速度比為0.5～2.5的研究,發(fā)現(xiàn)以速度比2為界限,產(chǎn)生了不同的流場(chǎng)特征,其雷諾數(shù)高達(dá)1.9×104。Cambonie等[27]做了速度比為0.5～3.0下的試驗(yàn)研究,雷諾數(shù)范圍為220～660,但是該文獻(xiàn)主要研究了流場(chǎng)中的反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì),并沒(méi)有對(duì)剪切渦的形成、發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)的研究分析。

鑒于低雷諾數(shù)下JICF蘊(yùn)含著豐富的物理信息,且目前此方面已有較多數(shù)值模擬結(jié)果,相關(guān)試驗(yàn)研究很少。因此,本文設(shè)計(jì)、搭建試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了低雷諾數(shù)下的平板單孔JICF試驗(yàn),并重點(diǎn)分析了不同流動(dòng)參數(shù)對(duì)剪切渦特性的影響。試驗(yàn)清晰地捕捉到了渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程,結(jié)果表明速度比、雷諾數(shù)以及射流角會(huì)改變主流與射流之間的摻混程度,速度比對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響很大,雷諾數(shù)與射流角對(duì)剪切渦的發(fā)展特性及射流軌跡的高度、滲透能力有影響,最終改變剪切渦的特性。這些數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證,以及揭示高溫燃?xì)饬髋c冷卻流的摻混機(jī)理有重要支撐作用。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在低速風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞分為穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段和出口段。在穩(wěn)定段前部布置有蜂窩罩和尼龍濾網(wǎng),以消除環(huán)境中可能的較大湍渦。主流經(jīng)過(guò)收縮段后進(jìn)入風(fēng)洞試驗(yàn)段,如圖3所示。整套試驗(yàn)裝置如圖4所示。圖5為試驗(yàn)段示意圖,其截面尺寸(Lz×Ly)為460 mm×450 mm,長(zhǎng)度(Lx)為1 000 mm,射流孔孔徑D為7 mm。

在風(fēng)洞的尾部安裝有離心風(fēng)機(jī),用以抽取空氣,該離心風(fēng)機(jī)與頻率控制臺(tái)相連,從而可以方便地調(diào)節(jié)主流速度,主流的最大速度為30 m/s。射流則由空氣壓縮機(jī)提供,空氣經(jīng)由流量調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定流量后進(jìn)入煙霧發(fā)生器,摻有少量煙霧的氣體經(jīng)過(guò)流量計(jì),最終由集氣腔上方的射流孔進(jìn)入試驗(yàn)段。為獲取更為清晰的流動(dòng)圖像,本試驗(yàn)采用連續(xù)性片光源打亮呈現(xiàn)為一定白色的射流。片光源最大發(fā)射功率為5 W,波長(zhǎng)為532 nm,片光源全角為60°。本試驗(yàn)拍攝使用的高速攝像機(jī)為PHANTOM CAMERA V1210,最高拍攝速度可達(dá)7.1×105frame/s。試驗(yàn)中流體速度較低,對(duì)流動(dòng)圖像進(jìn)行記錄時(shí),相鄰圖像間的時(shí)間間隔為0.28 ms。利用相應(yīng)的Pcc軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的控制、觸發(fā)、參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)處理。

試驗(yàn)中,速度比的計(jì)算公式為

式中:Uj與U∞分別為射流速度與主流在實(shí)驗(yàn)腔中的速度。射流速度可由流量計(jì)的讀數(shù)計(jì)算得到,主流速度直接由熱線風(fēng)速儀測(cè)得?；谏淞骺卓讖紻、主流速度的雷諾數(shù)公式為

式中:ρ為主流空氣密度;μ為空氣的動(dòng)力黏度;v為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度。以射流孔圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),相應(yīng)的坐標(biāo)系如圖5所示,所獲取的試驗(yàn)結(jié)果為展向中性面,即:z=0時(shí),x Oy截面內(nèi)的流動(dòng)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)工況分別為:① 在主流速度(U∞=0.43 m/s,Re∞=203)不變的前提下,通過(guò)調(diào)節(jié)射流流量改變射流速度,實(shí)現(xiàn)速度比R分別為0.40、0.70、0.88、1.05、1.23、1.39;② 在保證速度比不變的情況下,利用頻率控制臺(tái)將離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為2、3、4、5 Hz,對(duì)應(yīng)的主流速度分別為0.25、0.43、0.65、0.86 m/s,從而使得雷諾數(shù)Re∞分別為118、203、307、406;③ 射流角度θ分別為60°、90°,通過(guò)更換試驗(yàn)件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 典型工況下剪切渦的形成與發(fā)展機(jī)制

圖6為Re∞=203,θ=90°,R=0.88時(shí)剪切渦的形成發(fā)展圖像。從圖6可以看出,射流從射流孔射出后,射流前緣部分直接面對(duì)主流沖擊,前緣處的渦結(jié)構(gòu)會(huì)受到主流邊界層渦的較大影響,而射流后緣受到主流的沖擊較小。在主流的壓迫剪切作用下,射流產(chǎn)生了沿主流方向的加速度及速度,射流軌跡發(fā)生了彎曲,由于射流與主流間強(qiáng)烈的剪切作用,產(chǎn)生了開(kāi)爾文-赫姆霍茲不穩(wěn)定性[3,6,28],最終形成了剪切渦。與此同時(shí),在射流孔后緣附近形成了一個(gè)低壓區(qū),在負(fù)壓強(qiáng)梯度的驅(qū)使下,該區(qū)域出現(xiàn)了逆流現(xiàn)象。Fric與Roshko[3]認(rèn)為這個(gè)低壓區(qū)的出現(xiàn)有利于射流后緣附近平板邊界層的分離,最終在一定條件下促使尾跡渦的形成。射流前緣的剪切渦為迎風(fēng)渦(Leading-Edge Vortex,LEV),其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針,根據(jù)展向渦量的定義可知,渦量為正;射流后緣的剪切渦為背風(fēng)渦(Trailing-Edge Vortex,TEV),旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針,渦量為負(fù)。往下游輸運(yùn)過(guò)程中,迎風(fēng)渦被拉伸、卷吸、分離,背風(fēng)渦則逐漸匯聚,負(fù)渦量占據(jù)主導(dǎo),迎風(fēng)渦和背風(fēng)渦在向下游的運(yùn)動(dòng)中逐漸融合、卷入,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦逐漸變?nèi)?順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦逐漸成為流場(chǎng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),正渦量逐漸減小。在射流向下游輸運(yùn)的過(guò)程中,在射流孔下游約為5.5倍孔徑處,由于低壓區(qū)的出現(xiàn),平板邊界層發(fā)生分離,剪切渦被拉伸并發(fā)生較大變形。由于此工況的速度比(R=0.88)較小,低壓區(qū)內(nèi)的逆壓力梯度較小,不利于尾跡渦的生成,因此在圖6中無(wú)法觀察到清晰的尾跡渦。Kelso等[6]的試驗(yàn)研究表明,當(dāng)速度比大于4時(shí),可捕捉到清晰穩(wěn)定的尾跡渦。流動(dòng)結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下游發(fā)展,由于主流與射流的劇烈摻混造成了大量的動(dòng)能損失,剪切渦逐漸分解、破裂為大量小尺度的渦系結(jié)構(gòu)。

射流主體前后緣壓強(qiáng)差的存在加劇了主流對(duì)射流的壓迫、剪切作用,最終使得射流軌跡發(fā)生彎曲并形成剪切渦。剪切渦產(chǎn)生于射流與主流的初始摻混階段,在射流的兩側(cè)面上其強(qiáng)度最大,剪切渦的出現(xiàn)削弱了射流主體的動(dòng)能,進(jìn)一步增大了射流的彎曲程度。簡(jiǎn)言之,x Oy平面內(nèi),射流孔附近的流場(chǎng)主要特征為射流的彎曲、變形,周期性卷起的剪切渦,以及剪切渦的拉伸、變形、重組。

2.2 速度比對(duì)剪切渦的影響

圖7為Re∞=203,θ=90°時(shí),不同速度比情況下的剪切渦系圖像。從圖7的渦系結(jié)構(gòu)可以看出,不同速度比下,射流軌跡高度不同,射流在主流中的垂向滲透能力不同。本文研究的6種速度比下(圖7(a)～圖7(f)),射流的高度分別約為3D、5.5D、6D、6.3D、7.2D、8D。隨著速度比的增加,射流動(dòng)量增加,射流對(duì)主流的垂向滲透能力增強(qiáng),最終導(dǎo)致射流軌跡高度增大,這與文獻(xiàn)[29-30]得到的結(jié)論一致。此外,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置也逐漸遠(yuǎn)離射流孔,在6種速度比下,射流主體發(fā)生彎曲的位置高度分別約為0.8D、1D、1.4D、1.8D、2.5D、3D。隨著速度比的增大,射流軌跡的曲率減小,且在較小速度比時(shí),射流首先發(fā)生彎曲,繼而產(chǎn)生剪切渦(圖7(a)～圖7(c));而在較大速度比時(shí),剪切渦在射流發(fā)生彎曲之前產(chǎn)生(圖7(d)～圖7(f))。與此同時(shí),速度比對(duì)流動(dòng)渦系結(jié)構(gòu)影響很大。由于主流的橫向剪切作用,射流前緣形成了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦。低速度比時(shí)(圖7(a)、圖7(b)),射流被主流強(qiáng)烈擠壓,射流與主流相互作用的結(jié)果是迎風(fēng)渦的渦強(qiáng)減弱并消失,背風(fēng)渦成為主要的渦系結(jié)構(gòu)。隨著速度比的增大(圖7(c)～圖7(f)),當(dāng)射流離開(kāi)射流孔后,射流發(fā)生變形與彎曲,同時(shí)交替出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦。值得注意的是,當(dāng)速度比較大時(shí)(圖7(e)、圖7(f)),隨著主流與射流的摻混加劇,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦成為了流場(chǎng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象與課題組之前的數(shù)值研究結(jié)果[14]一致。在小速度比時(shí),由于射流的動(dòng)能較小,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的主流剪切層渦會(huì)抑制逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的射流剪切層渦的形成及發(fā)展,并在剪切作用的驅(qū)使下形成了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦,最終在流場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。速度比增大,射流的動(dòng)能增大,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的射流剪切層渦的強(qiáng)度增大,從而抵抗了主流剪切層渦的抑制作用,并形成了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦,當(dāng)速度比增大到一定程度時(shí),迎風(fēng)渦會(huì)成為主要的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在上述研究的6種速度比工況下,均是在射流前緣首先發(fā)生凹陷,繼而逐漸引起射流后緣的失穩(wěn)。除R=0.40(圖7(a))時(shí),其本身射流高度太小外,失穩(wěn)位置隨速度比的增大也逐漸靠近射流孔,圖7(b)～圖7(f)中,失穩(wěn)凹陷處距射流孔高度分別約為2.5D、2D、1.5D、1D、0.5D。在速度比很小時(shí)(圖7(a)),迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦之間的干擾小,剪切渦的運(yùn)動(dòng)形態(tài)很穩(wěn)定。隨著速度比的增大,渦結(jié)構(gòu)之間干擾增強(qiáng),剪切渦的形態(tài)逐漸紊亂。從圖7展示的結(jié)果可以看出,當(dāng)速度比大于1(圖7(d)～圖7(f))時(shí),剪切渦的連續(xù)性出現(xiàn)較大減弱,與小速度比(圖7(a)～圖7(c))的工況相比,在速度比大于1的工況下,剪切渦的形態(tài)更加紊亂、不規(guī)則,而且,剪切渦在距離射流孔更近的流向位置就開(kāi)始發(fā)生變形與耗散。這是因?yàn)?射流初始速度大,使得剪切渦還沒(méi)來(lái)得及向下游輸運(yùn),上游相鄰的一個(gè)甚至多個(gè)剪切渦已經(jīng)趕上,多個(gè)剪切渦發(fā)生融合、卷入,使得剪切渦尺寸更大,渦系的形態(tài)更加紊亂,并在向下游的運(yùn)動(dòng)中不斷脫落形成了垂直并延伸至平板表面的尾跡渦[3]。

最后,從圖7還可以發(fā)現(xiàn),迎風(fēng)渦和背風(fēng)渦的產(chǎn)生雖有時(shí)間差,但總是相伴而行,在向下游發(fā)展過(guò)程中逐漸融合,且下游剪切渦的渦核部分與上游相鄰的背風(fēng)渦相連,在自身沿主流方向的速度分量和主流的推動(dòng)下,向下游流動(dòng)。射流后下方產(chǎn)生的逆流區(qū),流動(dòng)復(fù)雜,靠近射流的逆流區(qū)邊界部分總體呈現(xiàn)出與主流反向的運(yùn)動(dòng),同時(shí)加劇主流與射流之間的摻混。在逆流區(qū)之前,剪切渦的運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定,強(qiáng)度也較大,而當(dāng)流過(guò)此區(qū)域時(shí),其形態(tài)快速改變,渦運(yùn)動(dòng)變的紊亂,這說(shuō)明逆流區(qū)在加劇主流與射流之間摻混程度的同時(shí)也干擾了剪切渦的發(fā)展。

2.3 雷諾數(shù)對(duì)剪切渦的影響

圖8為R=0.62,θ=90°時(shí),不同雷諾數(shù)下的剪切渦系圖。圖8的結(jié)果顯示,隨著雷諾數(shù)的增大,主流對(duì)射流的壓迫作用增強(qiáng),射流軌跡高度逐漸降低,射流的滲透能力下降,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置離射流孔越近,曲率也越大。與此同時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,主流對(duì)射流的輸運(yùn)作用增強(qiáng),剪切渦結(jié)構(gòu)越快發(fā)生變形與耗散(圖8(d))。而且,隨著雷諾數(shù)的增大,剪切渦的生成位置也逐漸由射流前緣向射流后緣發(fā)展,即初始剪切渦由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦逐漸變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦,且渦強(qiáng)度逐漸增大。這是因?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)的主流邊界層渦的強(qiáng)度隨著雷諾數(shù)的增大而增大,抑制了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的射流邊界層渦的形成與發(fā)展,最終使得順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦成為流場(chǎng)的主導(dǎo)渦系結(jié)構(gòu)。在沿主流方向流動(dòng)過(guò)程中,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的迎風(fēng)渦與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的背風(fēng)渦交替出現(xiàn)并連接形成鏈狀結(jié)構(gòu)。繼續(xù)往下游流動(dòng),渦強(qiáng)更大的背風(fēng)渦將上游渦強(qiáng)較弱的迎風(fēng)渦吞噬并發(fā)生變形、拉伸,最后耗散。在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可以看出,隨雷諾數(shù)的增大,剪切渦的變形越明顯。

2.4 射流角對(duì)剪切渦的影響

圖9為Re∞=203,R=1.10時(shí),不同射流角度下的剪切渦系圖像。從圖9中可以發(fā)現(xiàn),隨著射流角度的增大,射流軌跡發(fā)生彎曲的位置離射流孔中心的流向距離減小,彎曲位置的曲率增大。這是因?yàn)殡S著角度的增大,射流速度沿主流方向的速度分量減小,主流對(duì)射流的壓迫、加速作用越明顯。與此同時(shí),射流對(duì)主流的垂向滲透能力增強(qiáng)。當(dāng)射流角為60°時(shí)(圖9(a)),射流一經(jīng)流出便在距離射流孔約為0.8D的位置處形成迎風(fēng)渦。而當(dāng)射流角增大至90°時(shí)

(圖9(b)),在距離平板的垂向高度約為1.5D的位置處才發(fā)生凹陷繼而形成剪切渦。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了在大傾斜角的工況下,射流的垂向滲透能力更強(qiáng)。

3 結(jié) 論

為深入揭示氣膜冷卻中高溫燃?xì)饬髋c冷卻流的摻混機(jī)理,本文設(shè)計(jì)、搭建試驗(yàn)臺(tái),研究了JICF中剪切渦的形成、發(fā)展機(jī)制,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)射流孔附近區(qū)域流場(chǎng)的主要特征是射流彎曲、變形及剪切渦周期性卷起、拉伸、變形、重組。

2)速度比、雷諾數(shù)以及射流角會(huì)改變主流與射流之間的摻混程度及射流在主流中的垂向滲透能力,從而改變射流軌跡的曲率與高度,最終改變剪切渦的特性。

3)迎風(fēng)渦與背風(fēng)渦分別是由逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的射流邊界層渦與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的主流邊界層渦形成的。當(dāng)主流邊界層渦強(qiáng)度大于射流邊界層渦時(shí),背風(fēng)渦是流場(chǎng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu),反之,迎風(fēng)渦將成為流場(chǎng)的主要渦系結(jié)構(gòu)。

本文對(duì)JICF中的剪切渦進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了JICF中剪切渦的定性流動(dòng)信息,今后將進(jìn)行定量等更為深入的研究。此外,展向yOz平面內(nèi)的反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)(CVP),是JICF中的另一主要渦系結(jié)構(gòu),其演化機(jī)理與發(fā)展趨勢(shì)對(duì)JICF的諸多應(yīng)用,如氣膜冷卻效率、沖擊射流冷卻效率等有重要影響。今后將對(duì)CVP的演化過(guò)程與機(jī)理進(jìn)行深入的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,為揭示JICF的復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理提供更多基礎(chǔ)。

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Experimental investigation on shear vortex of jet in cross-flow at low Reynolds number

ZHANG Baolei1,2,SHANGGUAN Yanqin1,2,WANG Xian1,2,*,CHEN Gang1,2,Ll Yueming1,2

1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China
2.Shaanxi Key Laboratory of Environment and Control for Flight Vehicle,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China

The flow characteristic and vortical structures associated with the jet in cross-flow(JlCF)is studied to reveal the mixing mechanism between coolant jet and hot cross-flow in film cooling of turbine blades.Experimental investigations on shear vortex of single-jet in cross-flow are carried out in this paper.The effects of velocity ratio,Reynolds number and inclined angle on the characteristics of shear vortex are studied mainly.Results show that the velocity ratio,Reynolds number and inclined angle have a great influence on the mixing between jet and cross-flow,and therefore affect the jet trajectory and jet penetration into cross-flow which results in various characteristics of shear vortex.We also find that the leading-edge shear vortex and trailing-edge shear vortex are formed by boundary layer vortex of jet flow and cross-flow,respectively.The trailing-edge shear vortex becomes the main flow structure when the cross-flow boundary layer vortex is stronger than jet boundary layer vortex.On the contrary,the leading-edge vortex becomes dominant.

jet in cross-flow;velocity ratio;Reynolds number;inclined angle;shear vortex

2016-10-04;Revised:2016-10-27;Accepted:2016-11-16;Published online:2016-12-14 16:29

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

s:National Basic Research Program of China(2013CB035702);National Natural Science Foundation of China(11302165)

O358

A

1000-6893(2017)07-120831-09

10.7527/S1000-6893.2016.0305

2016-10-04;退修日期:2016-10-27;錄用日期:2016-11-16;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-12-14 16:29

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

國(guó)家“973”計(jì)劃 (2013CB035702);國(guó)家自然科學(xué)基金 (11302165)

*通訊作者.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn

張保雷,上官燕琴,王嫻,等.低雷諾數(shù)下橫流-射流中剪切渦的試驗(yàn)研究[J].航空學(xué)報(bào),2017,38(7):120831.ZHANG B L,SHANGGUANY Q,WANG X,et al.Experimental investigation on shear vortex ofjet in cross-flow at low Reynolds number[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):120831.

(責(zé)任編輯:王嬌)

*Corresponding author.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn