论文摘要
论文以高效气气掺混技术为研究背景,综合采用混合RANS/LES方法、纳米粒子平面激光散射技术（NPLS）和PIV技术研究了被动混合增强部件—矩形波瓣混流器下游的流场结构特性和掺混特性。结合国内外波瓣混流器研究成果,论文设计了实验研究所采用的矩形波瓣构型。实验在吸气式超声速混合层风洞中开展,实验首先对风洞的实际对流马赫数和实验段流场品质进行了校准,有效地保证了风洞的流场质量,喷管出口上下侧压力匹配,风洞的实际校测对流马赫数为0.22。论文通过三维超声速混合层算例验证RANS/LES方法的可靠性。基于仿真结果,采用涡结构识别的Q方法准确地提取了波瓣结构下游流场的大尺度流向涡和K-H涡结构,结果表明波瓣结构下游主要有三个大尺度的流向涡,分别在波瓣尾缘的三个平行竖直壁下游形成。这三个流向涡结构是波瓣下游流场的主导流场结构,其突出的旋转特性会明显地改变K-H涡的运动特性,而流向涡自身的运动并没有受到明显的影响,这一点和低速条件下流向涡与K-H涡之间的作用规律不同。三个流向涡中位于中间的一个在尺度上均明显大于另外两个流向涡,能强烈地在涡的一侧将下层气流卷吸到上层,而在涡的另一侧将上层气流卷吸到下层,这种强烈的旋转作用也会微弱影响位于其两侧的两个流向涡的运动特性,使一个在向下游运动过程中微弱上移,另一个微弱下移。通过分析波瓣混流器下游的压力场和速度场发现,流向涡的形成与波瓣构型导致的压力分布不均密切相关:气流在流经矩形波瓣的斜坡时,会改变来流的压力匹配状况,使流场静压在展向和纵向均表现出分布不均的状态,这种压力分布不均会放大初始位于拐角处的流场不稳定,是形成流向涡的直接原因。根据NPLS瞬时流场图像,波瓣结构下游由于剪切作用会形成K-H涡结构,其基本结构和超声速平面自由剪切层中形成的流场结构一致,K-H涡的尺度及其增长速度要明显小于流向涡结构。初始的K-H不稳定性对流场结构有重要影响,主要表现为流场下游由较多小尺度涡结构组成的有序分布的涡团。流向涡的破碎与流向涡边缘出现并逐渐增长的二次不稳定性密切相关,这种不稳定性起始于由流向涡旋转导致的两层气流之间形的强烈三维剪切作用。流向涡破碎形式是从流向涡边缘开始逐渐向内蔓延,这和低速条件下流向涡直接碎裂成更多小尺度流向涡的破碎形式不同。增加瓣高能够明显提高流向涡的强度和标量混合度,其中标量混合度沿流向总体呈线性增加趋势。增加瓣高能够明显强化多种与掺混效果直接关联的因素,包括:流向涡尺度、气体界面长度以及湍流度。但增加瓣高的缺点也很明显,即导致总压损失的明显增加,这主要是由激波强度增加导致的。