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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

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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

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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扇形处理对波瓣喷管射流掺混的作用

扇形处理对波瓣喷管射流掺混的作用

面向人工智能控制算法、基于多模态激励的射流掺混强化实验平台设计

2016年航空科学与技术全国博士生学术论坛

作者：盛志强南昌航空大学飞行器工程学院

对带中心锥的波瓣喷管进行扇形处理,保持切除深度不变,上、下边缘形状一致,通过改变切除位置和宽度得到不同的扇形处理波瓣喷管。对带中心锥的波瓣喷管及其扇形处理在纯引射情况下的射流掺混进行了数值模拟,研究了扇形处理对射流掺混的... 详细信息

对带中心锥的波瓣喷管进行扇形处理,保持切除深度不变,上、下边缘形状一致,通过改变切除位置和宽度得到不同的扇形处理波瓣喷管。对带中心锥的波瓣喷管及其扇形处理在纯引射情况下的射流掺混进行了数值模拟,研究了扇形处理对射流掺混的作用及其作用机制,结果表明,主、次流提前掺混以及形成新的迎风段是扇形处理促进掺混的主要原因。扇形处理面积越大,侧壁尾流区的掺混越快;新的迎风段越靠近波峰,波峰尾流区的掺混越快。但扇形处理会使核心区主流完全掺混所需距离增加。结果还显示,扇形处理对流向涡的强化并不会带来更高的掺混效率,但会导致更大的总压损失。

关键词：射流掺混波瓣喷管掺混效率流向涡数值模拟

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面向人工智能控制算法、基于多模态激励的射流掺混强化实验平台设...

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：姜竹涛李松锜李逸清高南 Bernd R.Noack 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程及自动化学院大连航华科技有限公司

在本文中,我们设计了面向人工智能控制算法、基于多模态激励的射流掺混强化实验平台。这一实验平台由可变形的柔性喷管、多模态激励器、大规模传感器阵列和控制系统组成。多模态激励器是由运动机构和微射流组成的复合激励单元。运动机... 详细信息

在本文中,我们设计了面向人工智能控制算法、基于多模态激励的射流掺混强化实验平台。这一实验平台由可变形的柔性喷管、多模态激励器、大规模传感器阵列和控制系统组成。多模态激励器是由运动机构和微射流组成的复合激励单元。运动机构可以改变喷管出口形状,微射流对主射流注入高能流体实现主动控制。我们将12个多模态激励器沿周向均匀部署在射流的柔性喷管出口处,从而实现被动控制、主动控制和主被动结合控制。此外,我们在射流核心区末端放置了大规模传感器阵列,实现流场速度的实时采集。采集到的数据可用于评估流动控制,同时可作为人工智能算法的实时反馈。在软件层面,我们开发了基于LabVIEW的上位机控制程序。该程序集数据采集、激励器控制和数据存储等功能于一体,且具有开放的人工智能优化算法接口。目前,此实验平台已经进行了多项人工智能算法的部署。作为对实验平台的初步测试,我们采用人工智能算法对主动控制参数进行了优化。在此测试中,采用人工智能算法Explorative Gradient Method(EGM,YLi et al.,*** Mech,2022)强化射流的掺混效果。实验结果表明,在射流雷诺数为27,000时,EGM算法优化可以对掺混效果实现54%的提升。我们希望这一平台可以为先进的人工智能优化算法提供可靠的实验验证,并对优化结果进行分析,同时揭示最优控制背后的物理机理。

关键词：流动控制人工智能射流掺混

来源： cnki会议评论

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推进技术 2019年第6期40卷 1220-1230页

作者：刘凡严红西北工业大学动力与能源学院陕西省航空发动机内流动力学重点实验室陕西西安710072 先进航空发动机协同创新中心北京100191

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并... 详细信息

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。

关键词：超声速射流射流掺混激波冲击脉冲能量沉积

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进口预旋条件下波瓣混合器强制掺混机理

推进技术 2013年第2期34卷 230-239页

作者：苏尚美雷志军岳巍朱俊强中国科学院工程热物理研究所/轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100190

以波瓣混合器为研究对象,通过试验和数值计算的方法研究了其强制射流掺混的机理及进口预旋对射流掺混的作用机制。结果表明:κ-ωSST模型能较好地模拟波瓣射流掺混过程;波瓣贯穿区径向压力梯度所诱导的大尺度流向涡在射流掺混过程中起... 详细信息

以波瓣混合器为研究对象,通过试验和数值计算的方法研究了其强制射流掺混的机理及进口预旋对射流掺混的作用机制。结果表明:κ-ωSST模型能较好地模拟波瓣射流掺混过程;波瓣贯穿区径向压力梯度所诱导的大尺度流向涡在射流掺混过程中起支配作用;与轴向进气工况相比,进口预旋导致附加流向涡对及中心锥下游回流区的形成,强化了射流涡系间相互作用,加速了射流掺混过程。

关键词：波瓣混合器射流掺混进口预旋流向涡

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交变波瓣喷管高效掺混机理

推进技术 2014年第12期35卷 1598-1606页

作者：盛志强黄沛霖姬金祖王英北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

结合现有交变波瓣的特点对基准波瓣喷管进行处理,设计了一种新型波瓣喷管——剑形深波谷交变波瓣喷管。采用数值方法对基准波瓣喷管、平端面交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管、剑形深波谷交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管扇形处理的射流... 详细信息

结合现有交变波瓣的特点对基准波瓣喷管进行处理,设计了一种新型波瓣喷管——剑形深波谷交变波瓣喷管。采用数值方法对基准波瓣喷管、平端面交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管、剑形深波谷交变波瓣喷管、斜切交变波瓣喷管扇形处理的射流掺混进行模拟,研究了交变波瓣喷管高效掺混的机理。结果表明,交变波瓣喷管除了深、浅波谷之间的尾流区和较小的核心区代替了基准波瓣喷管较大的核心区以外,在侧壁尾流区产生更饱满的流向涡,以及深波谷端次流前锋的刺入或在深波谷端产生流向涡,都对提高掺混效率起重要作用。交变波瓣喷管射流掺混中横向流动程度越大造成的流动损失越大,其关系为初始流向涡量每增加0.1,总压恢复系数将减小0.0001。

关键词：交变波瓣射流掺混掺混效率流向涡数值模拟

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掺混孔参数影响燃烧室出口温度场的计算方法

燃烧科学与技术 2006年第6期12卷 502-506页

作者：张征杨阳樊未军杨茂林顾国彪中科院电工研究所北京100080 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100083

合理的温度场分布是燃烧室设计的主要问题之一.在气动计算基础上,借鉴有关流动和射流穿透经验关系,依据发动机工况及试车测试数据,针对某型发动机燃烧室,进行了通过改变掺混孔孔径调整出口温度场分布的计算方法研究.利用气动函数结合流... 详细信息

合理的温度场分布是燃烧室设计的主要问题之一.在气动计算基础上,借鉴有关流动和射流穿透经验关系,依据发动机工况及试车测试数据,针对某型发动机燃烧室,进行了通过改变掺混孔孔径调整出口温度场分布的计算方法研究.利用气动函数结合流阻法进行流动参数计算,采用气动方法计算射流穿透深度和掺混温度,得出相应掺混孔改变量与掺混气变化量及相应燃烧室出口截面处的温度变化量.提出一种比拟法,预估改变掺混孔孔径后燃烧室出口温度的变化情况,并给出根据出口温度要求预估燃烧室需要调整的掺混孔位置及尺寸,为实验调试提供计算依据.

关键词：燃烧室气动计算射流掺混出口温度比拟法

低温推进剂在轨加注过程中气液相管理技术综述

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空天技术 2022年第5期2022卷 68-80页

作者：李子安崔晨乙白云齐宝金魏进家西安交通大学化学工程与技术学院西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

微重力环境下的射流掺混现象和气液两相定位分离技术严重制约低温推进剂在轨加注技术的发展，综述了国内外关于微重力环境下射流稳定性和涌泉现象的研究进展，从实验观测和数值模拟两方面介绍了相关理论知识体系和实验模拟结果，探究了... 详细信息

微重力环境下的射流掺混现象和气液两相定位分离技术严重制约低温推进剂在轨加注技术的发展，综述了国内外关于微重力环境下射流稳定性和涌泉现象的研究进展，从实验观测和数值模拟两方面介绍了相关理论知识体系和实验模拟结果，探究了射流掺混机理及其影响因素。在气液掺混研究的基础上总结了当前适用于低温流体的气液两相定位分离技术，分析了惯性式、电磁式、表面张力式的研究现状和各技术的优势与局限性。分析结果表明表面张力式是当前最可靠有潜力的气液两相定位分离技术。进一步梳理了低温推进剂在轨加注过程中气液相管理技术的相关研究，以期为后续解决气液掺混、分离问题提供支撑。

关键词：低温推进剂在轨加注微重力射流掺混气液分离

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燃烧室纵向压力振荡对燃料掺混过程的影响

火箭推进 2020年第6期46卷 60-68页

作者：汪广旭刘占一谭永华陈建华陈宏玉西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室陕西西安710100 航天推进技术研究院陕西西安710100

对于气/气同轴剪切喷嘴,推进剂通过射流剪切过程产生的相干涡实现掺混,这一过程不仅决定了下游燃烧释热分布情况,也容易受到燃烧室压力振荡的影响,研究上述问题对于认识高频燃烧不稳定问题具有重要意义。主要通过非定常燃烧流场仿真,给... 详细信息

对于气/气同轴剪切喷嘴,推进剂通过射流剪切过程产生的相干涡实现掺混,这一过程不仅决定了下游燃烧释热分布情况,也容易受到燃烧室压力振荡的影响,研究上述问题对于认识高频燃烧不稳定问题具有重要意义。主要通过非定常燃烧流场仿真,给出了不同稳定性工况下单喷嘴燃烧室纵向压力振荡过程以及相应时刻涡量场,对比分析了不同幅值压力振荡对燃料射流掺混过程的影响规律,并结合轴向平均温度及燃烧释热分布,讨论了主要燃烧释热区集中程度和相对波腹位置与稳定性之间的关系。研究表明:燃烧室压力振荡会显著影响气态燃料射流掺混过程,造成相干涡结构横向抖动加剧,使相应的释热和温度分布更靠近喷注面附近的声振波腹区,而喷嘴出口射流动能的增加会使燃烧释热区沿轴向更加散布,有利于稳定性的提高。

关键词：压力振荡射流掺混燃烧不稳定性