可壓縮橫向射流和旋擰射流的大渦模擬研究.pdf

1、以發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)存在的復(fù)雜射流與來(lái)流相互作用問(wèn)題為背景，本文采用大渦模擬方法研究了超聲速來(lái)流中橫向射流、超聲速來(lái)流中橫向脈沖射流以及超聲速旋擰射流問(wèn)題。主要的工作和研究成果如下：
　　 (1)采用大渦模擬方法研究了超聲速來(lái)流中橫向射流問(wèn)題，著重探討了射流與來(lái)流的動(dòng)量通量比和射孔形狀對(duì)流動(dòng)特性的影響。這類問(wèn)題蘊(yùn)含著諸多復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，如激波/射流的相互作用、激波/渦的相互作用、射流剪切渦的演化、射流穿透深度和湍流特性等。當(dāng)欠膨脹聲

2、速射流橫向射入超聲速流場(chǎng)之后，會(huì)形成一系列復(fù)雜的三維激波和渦結(jié)構(gòu)，如弓形激波、分離激波、桶狀激波、馬赫盤、馬蹄渦、射流剪切渦和反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)量通量比較小時(shí)，上述激波結(jié)構(gòu)的變形特性更為明顯；與圓孔射流相比，橢圓孔射流產(chǎn)生的激波結(jié)構(gòu)變形不甚明顯。射流與來(lái)流的交界面處形成了大尺度的射流剪切渦結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)射流與來(lái)流的混合。通過(guò)追蹤這些結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位置，詳細(xì)討論了它們的時(shí)空演化特性。射流穿透深度是衡量射流與來(lái)流混合的重要參

3、數(shù)，研究表明，穿透深度隨動(dòng)量通量比的增加而增加；與圓孔射流相比，橢圓孔射流的展向穿透深度較大，法向穿透深度較小。通過(guò)流場(chǎng)中湍流脈動(dòng)特性分析發(fā)現(xiàn)，射流上游馬蹄渦處流向雷諾應(yīng)力占優(yōu)，而射流下游的法向雷諾應(yīng)力得到了增強(qiáng)，這與流場(chǎng)中反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)相關(guān)。
　　 (2)采用大渦模擬方法研究了超聲速來(lái)流中橫向脈沖射流問(wèn)題，詳細(xì)地分析了該問(wèn)題中存在的幾種重要的流動(dòng)現(xiàn)象，包括射流穿透深度的增加、射流/來(lái)流混合的增強(qiáng)、流場(chǎng)內(nèi)復(fù)雜的激波和渦結(jié)構(gòu)以及相互

4、作用等。研究表明，由于射流的脈沖效應(yīng)，流場(chǎng)內(nèi)激波結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的變形。與定常射流相比，脈沖射流中射流剪切渦的尺度更大、結(jié)構(gòu)更不規(guī)則。當(dāng)脈沖射流處于高動(dòng)量通量比時(shí)，穿透深度會(huì)明顯增加。桶狀激波的大幅度變形會(huì)造成穿透深度的明顯變化，進(jìn)而增加穿透深度隨時(shí)間的變化幅度。由于射流的脈沖效應(yīng)以及射流/來(lái)流的相互作用，流場(chǎng)中湍流脈動(dòng)得到了增強(qiáng)，在射流附近法向，湍流脈動(dòng)占主導(dǎo)?；诹鲌?chǎng)的湍流特征，針對(duì)與大尺度混合特性相關(guān)的區(qū)域進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)脈沖效應(yīng)能夠

5、增加射流流體與來(lái)流流體混合的區(qū)域。頻譜分析表明，脈沖效應(yīng)改變了流場(chǎng)中激波和渦結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定頻率。
　　 (3)采用大渦模擬方法研究了超聲速旋擰射流問(wèn)題，系統(tǒng)地分析了旋擰效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、射流剪切層的演化、湍流脈動(dòng)以及激波嘯叫等現(xiàn)象的影響。研究表明，與無(wú)旋擰的情形相比，旋擰效應(yīng)能夠減少流場(chǎng)中激波胞格的數(shù)量，并減小激波胞格和射流核心區(qū)的長(zhǎng)度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)，射流中心區(qū)域會(huì)形成回流區(qū)，這與旋擰效應(yīng)產(chǎn)生的離心力有關(guān)。旋擰效應(yīng)能夠激發(fā)射流剪切