进口预旋条件下涡扇发动机波瓣射流掺混机理的实验研究

论文摘要

波瓣混合器在中小涵道比涡扇发动机中有着广泛的应用前景,其对于提高尾气掺混效率、增加输出推力、降低耗油率、减少排气噪音和抑制红外辐射等都具有十分重要的意义。长期以来,学者们一直致力于研究轴向均匀进气条件下波瓣射流的掺混机理及其几何参数的优化设计,但对上游尾迹及进口预旋作用下波瓣射流的掺混过程及作用机理,研究成果甚少见诸报道。本文以某真实发动机波瓣混合器为研究对象,以能提供不同上游尾迹和进口气流切向气流角度的低速同心双环流风洞实验台（隶属于加拿大国家研究理事会燃气透平实验室,GTL-NRC）为载体,以七孔探针、热线及表面油流显示技术为测试手段,并辅之以数值计算,在深入理解波瓣射流掺混机理的基础上,探讨了进口有无预旋条件下波瓣射流掺混过程的具体变化,重点分析了上游尾迹和进口预旋影响射流涡系结构形成、发展及相互作用直到破碎的全过程,并详细评估了进口预旋对射流掺混气动性能的影响。在对常规波瓣研究工作的基础上,通过对波瓣切凹扇形处理,探讨了凹扇形缺口对波瓣射流掺混机理的影响机制,并分析了上游尾迹、进口预旋及掺混长度对切凹扇形波瓣射流掺混过程及气动性能的影响。对波瓣射流掺混机理的研究表明,波瓣特殊的几何外形诱导形成了大尺度流向涡,流向涡与正交涡的相互作用及自身破碎过程产生大量的小尺度湍流斑,这对加速波瓣射流掺混过程起着决定性的作用,导致大部分波瓣射流掺混过程能在波瓣下游2倍等效水力直径的范围内完成。在进口预旋作用下,流向涡及正交涡强度都有所增强,它们之间的相互作用依然支配着波瓣射流的掺混过程。波谷附近的外涵刺入气流一方面拉伸、扭曲正交涡,一方面在强进口预旋工况下与内涵气流形成逆时针旋转的附加流向涡,进一步改善了常规波瓣混合器的射流掺混过程。中心锥与波谷之间的有旋泄漏流动卷吸了大量的高能内涵气流,并借助径向扩散挤压外围流体的方式强化了外围涡系之间的相互作用,有利于加速波瓣射流的掺混过程。随着进口预旋的增强,有旋泄漏流加速射流掺混的作用变得越来越重要。但在较大的进口预旋条件下,波瓣吸力面出现的流动分离及中心锥下游形成的大范围环形回流区,将导致射流总压损失的增加及发动机输出推力的大幅下降。在切凹扇形波瓣射流中,流向涡从凹扇形缺口顶点开始被逐步引入,由此引起的射流预掺混过程抑制了正交涡的发展。正交涡在凹扇形缺口下游的不同扩散速度造成其自身的拉伸及扭曲,进而诱导形成了小尺度附加流向涡,该附加流向涡与大尺度流向涡的相互作用,虽然不一定增强流向涡强度,但有利于加速波瓣射流的掺混过程。在较强的进口预旋作用下,沿径向向内的外涵刺入气流与径向向外的内涵气流相互作用是附加流向涡形成的主要原因。切凹扇形处理虽然不影响中心锥附近的有旋泄漏流及其下游回流区,但降低了波瓣的抗预旋能力,导致波瓣吸力面较大范围的流动分离。当进口切向气流角小于20。时,进口预旋有利于加速波瓣混合器的射流掺混,且不会导致过高的总压和推力损失。在弱进口预旋条件下,切凹扇形处理有利于波瓣总体性能的提升；在强进口预旋条件下,给予波瓣一定的进口几何角或者对波谷进行斜切处理,将有利于提高波瓣适应强进口预旋的能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 自由射流结构及其发展过程
• 1.2 增强射流掺混的方法
• 1.2.1 破坏大尺度相干结构的有序性
• 1.2.2 施加相干频率扰动
• 1.2.3 增强射流剪切应力
• 1.3 波瓣混合器
• 1.3.1 机理研究
• 1.3.2 波瓣几何的优化过程
• 1.3.3 波瓣在减噪及其他方面的应用
• 1.4 温度及可压缩性影响
• 1.4.1 温度影响
• 1.4.2 可压缩性的影响
• 1.5 进口气流预旋的影响
• 1.6 本文研究目的及主要内容
• 第二章 实验装置及方法
• 2.1 同心双环流风洞
• 2.2 实验段
• 2.2.1 湍流网格
• 2.2.2 环形叶栅
• 2.2.3 波瓣式混合管
• 2.3 数据采集系统
• 2.3.1 压力采集系统
• 2.3.2 热线数据采集系统
• 2.3.3 坐标架
• 2.4 仪器
• 2.4.1 数字气压计
• 2.4.2 温度计
• 2.4.3 恒温热线风速仪
• 2.5 七孔探针的标定方法
• 2.5.1 标定实验台
• 2.5.2 标定方法
• 2.6 表面油流显示技术
• 2.7 风洞测量技术
• 2.7.1 风洞的调整
• 2.7.2 风洞的流场品质
• 2.7.3 测点选择
• 2.8 数据处理方法
• 2.8.1 测量及掺混总压损失
• 2.8.2 流向涡量
• 2.8.3 流向环量
• 2.8.4 推力系数
• 2.8.5 掺混指数
• 2.9 误差分析
• 第三章 波瓣下游射流掺混流场的数值分析
• 3.1 数值计算方法
• 3.1.1 计算域的选取
• 3.1.2 边界条件的设定
• 3.1.3 计算网格的划分
• 3.1.4 湍流模型简介
• 3.2 计算网格对数值模拟精度的影响
• 3.3 不同湍流模型对数值模拟精度的影响
• 3.4 主要结论
• 第四章 不同来流条件下波瓣射流掺混的机理分析
• 4.1 基准工况
• 4.1.1 流向涡的形成机理
• 4.1.2 波瓣射流掺混过程分析
• 4.1.3 波瓣涡动力学过程分析
• 4.1.4 波瓣射流掺混特性
• 4.2 环形叶栅尾迹的影响
• 4.2.1 叶栅尾迹作用下波瓣射流掺混过程
• 4.2.2 尾迹对波瓣射流涡系结构的影响
• 4.2.3 叶栅尾迹对波瓣射流掺混特性的影响
• 4.3 进口预旋对波瓣射流掺混的影响
• 4.3.1 不同进口预旋条件下的波瓣射流掺混过程
• 4.3.2 进口预旋对波瓣射流涡系结构的影响
• 4.3.3 进口预旋对波瓣射流掺混性能的影响
• 4.4 掺混长度的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 切凹扇形处理对波瓣射流掺混机理的影响
• 5.1 切凹扇形处理对波瓣射流掺混的影响机制
• 5.1.1 凹扇形缺口对射流掺混的影响
• 5.1.2 凹扇形缺口对波瓣射流涡系结构演变的作用机理
• 5.1.3 切凹扇形处理对波瓣射流掺混性能的影响
• 5.2 叶栅尾迹作用下切凹扇形处理对波瓣射流掺混的影响
• 5.2.1 尾迹作用下切凹扇形波瓣射流的掺混过程
• 5.2.2 尾迹作用下切凹扇形波瓣射流涡系结构的演变
• 5.2.3 尾迹作用下切凹扇形处理对波瓣射流掺混性能的影响
• 5.3 进口预旋条件下切凹扇形处理对波瓣射流掺混的影响
• 5.3.1 不同预旋条件下切凹扇形波瓣的射流掺混
• 5.3.2 进口预旋对切凹扇形波瓣射流涡系结构演变的影响
• 5.3.3 进口预旋对切凹扇形波瓣气动性能的影响
• 5.4 掺混管长度的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 主要研究结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 展望
• 主要符号说明
• 参考文献
• 附录A:七孔探针的标定
• 附录B:数值计算进口边界条件
• 附录C:30°进口预旋条件下常规波瓣下游流场数值计算结果
• 已发表的文章
• 致谢