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预旋角不同径向布局下波瓣射流掺混机理的数值研究

预旋角不同径向布局下波瓣射流掺混机理的数值研究

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作者：岳巍中国科学院研究生院（工程热物理研究所）

学位级别：硕士

自19世纪60年代以来,波瓣混合器在国内外众多中小涵道比涡扇发动机中获得了成功的应用,展现了其增加推力、降低油耗、抑制排气噪音及红外辐射等诸多优势。近50年来,国内外研究者针对波瓣混合器开展了大量的研究,主要关注了波瓣射流掺混... 详细信息

自19世纪60年代以来,波瓣混合器在国内外众多中小涵道比涡扇发动机中获得了成功的应用,展现了其增加推力、降低油耗、抑制排气噪音及红外辐射等诸多优势。近50年来,国内外研究者针对波瓣混合器开展了大量的研究,主要关注了波瓣射流掺混的内在机理以及几何、气动参数等对掺混整体性能的影响规律等,而对进口预旋下波瓣下游射流掺混的变化却并未给予足够的重视,尤其是针对预旋角不同径向布局的波瓣下游射流掺混性能,相关的研究成果鲜有所闻。本文以某真实发动机波瓣混合排气系统的1：0.7比例缩微模型为研究对象,在波瓣混合器上游引入环形导流叶栅以模拟预旋角不同的径向分布,采用全三维数值模拟方法,在深入理解波瓣下游射流掺混机理的前提下,探讨了预旋角不同径向布局下波瓣下游射流掺混机理的变化,重点关注了其涡动力学过程和射流掺混过程,并分析了预旋角不同径向布局对波瓣气动性能的影响。在此基础上,本文考虑在波瓣波谷与中心锥之间加设导流叶片以削弱上游旋流,分析了导流叶片祛除旋流的效果,并对导流叶片作用下波瓣下游的涡动力学过程、射流掺混性能及气动性能作了进一步探讨。得到的主要结论包括： 1)波瓣下游射流掺混内在机理的研究表明,波瓣特殊的几何外形诱导产生了大尺度流向涡,流向涡与正交涡随射流的发展及相互作用控制了波瓣下游的射流掺混过程。流向涡形成之初主要以拉伸、扭曲正交涡,增加内外涵对流的方式间接加速射流掺混,而随射流向下游的发展,正交涡及流向涡自身破碎释放的高湍流动能则直接加速了射流掺混。 2)预旋角不同的径向布局扩大了两个不同旋向流向涡之间的强度差异,强化了两涡间相互卷吸的作用,进而加速了流向涡的耗散;与此对应,正交涡与流向涡作用的位置、强度和数量也发生变化,耗散速度加快;整体而言,波瓣混合器的射流掺混性能得到了明显的改善;同时,残余旋流强化了中心锥附近流体的剪切作用,提升了其射流掺混性能。 3)旋流角不同径向梯度对波瓣下游射流掺混的影响有所不同;较大的径向梯度强化了两个流向涡之间的强度差异,并部分增加了中心锥附近流体的剪切作用,进一步提升了射流掺混性能;较大的叶根预旋角则减小了该径向梯度,削弱了这一强度差异,从而降低了射流掺混提升的幅度,同时更大程度地增加了中心锥附近流体的剪切作用,极大地改善了该部分流体的射流掺混性能。 4)加设导流叶片可有效削弱上游的旋流状况,减小两流向涡之间的强度差异,从而在一定程度上降低了波瓣下游射流掺混的整体性能,而中心锥附近流体掺混也表现了与波瓣混合器整体掺混相似的特征。 5)合理控制中心锥附近预旋角度的大小(不大于10°),可有效抑制中心锥附近可能产生的回流区范围,从而大幅减小排气系统的总压损失与推力损失;波瓣自身具有一定的抗预旋能力,内涵外围略大的预旋角度(不大于300)不会对发动机性能造成太大的损失,并可以改善波瓣下游的射流掺混;加设导流叶片虽无可避免地引入了摩擦损失,增加了总压损失,却由于能够有效削弱上游旋流造成的波瓣内涵流体的周向运动,明显增加了发动机的推力。

关键词：波瓣混合器射流掺混机理研究数值模拟进口预旋不同径向布局导流叶片

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