凹腔隔板的超声速混合层的掺混特性及机理研究
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摘要
火箭基组合循环发动机(RBCC)具有火箭发动机高推重比和吸气式冲压发动机高比冲的优势,是未来可重复使用的空天运输和临近空间高超声速飞行的动力解决装置之一。在RBCC发动机中,空气来流与燃气在燃烧室的驻留时间极短,如何快速高效混合对于提高燃烧效率至关重要。针对超声速混合层掺混效率低的问题,提出了利用凹腔的自激振荡特性作为外加激励来增强混合的方法。本文依据实验室现有的冷流实验条件的来流参数,采用大涡模拟方法对上下侧来流为Ma1.5和Ma3的凹腔隔板的超声速混合层进行数值模拟,计算模型如图1所示,本文中取凹腔深度D=4mm,并保持固定不变,定义无量纲量凹腔长深比K=L/D,并记无凹腔时K=0,开展了凹腔长深比K=0,1,3,5四种工况的数值模拟,并用涡量厚度及其增长率评估掺混特性,结果表明,凹腔的引入对混合层的掺混特性有重要影响。当凹腔长深比为5时,在板后200mm处,涡量厚度提高了约35.2%。涡量厚度增长率提高了54.5%,如图2所示。在上述四种工况中,K=5时,增混效果最明显。通过对凹腔诱导混合增强的机理研究发现,凹腔诱导混合增强的机理主要体现在三个方面。首先,在上述四种工况中,K=1时,凹腔被边界层淹没,对混合层产生的扰动十分有限。随着凹腔长深比的增加,凹腔剪切层发展的更加充分,凹腔剪切层的不稳定性直接导致主流速度脉动的增加;再者,凹腔诱导产生的流向涡是一种不稳定因素,加速了超声速混合层的失稳。在流向涡的诱导下,无量纲展向速度的最大值可达到0.41,无量纲纵向速度的最大值可达到0.35,这可促进两侧气体之间的高效动量掺混;第三,凹腔的自激振荡在混合层一侧来流上游施加扰动,使得混合层区域频率成分向高频移动,并出现了多频成分,频率范围大大增加,这对混合十分有利。
引文