消旋波瓣混合器的设计及掺混机理研究

发布时间：2020-03-22 08:37

【摘要】：波瓣混合器在航空发动机增加推力、降低油耗、抑制排气噪声与红外辐射等方面展现出了诸多的优势,因此被广泛应用于中小涵道比涡扇发动机混合排气系统。长期以来,学者致力于轴向进气时波瓣混合器加速内外涵掺混的机理研究。然而,发动机推重比的提高要求低压涡轮的负荷增大,对于使用高负荷低压涡轮的高性能发动机,波瓣混合排气系统的内涵进口气流存在预旋,该进口预旋会显著削弱波瓣混合排气系统性能,进而影响发动机性能。虽然也有学者对来流预旋条件下波瓣混合器机理及性能变化进行了研究,但通过改变波瓣混合器结构来适应来流预旋的研究却鲜有报道。本文以某发动机波瓣混合器排气系统的缩比模型为研究对象,提出了基于叶片造型理论的消旋波瓣混合器设计方法。并以中科院工程热物理研究所的低速同心双环流风洞试验台为依托,借助七孔探针和热线风速仪等测量手段,辅之以数值计算方法,对基准波瓣和消旋波瓣进行了细致地研究。在理清基准波瓣掺混机理的基础上,深入探讨了消旋波瓣几何参数及来流预旋角变化对消旋波瓣掺混机理的影响,对比分析了消旋波瓣与基准波瓣掺混机理的变异机制,并进一步探索了切凹扇处理对两种波瓣掺混机理及其性能的影响。主要研究结论如下:对基准波瓣混合器的研究表明,波瓣的特殊交变褶皱结构诱导形成大尺度的流向涡,并在波瓣下游流场中形成与波瓣尾缘截面形状一致的正交涡环,流向涡与正交涡环的相互作用以及涡系自身的破碎共同支配着内外涵两股流体的掺混。在进口预旋条件下,中心锥与波谷之间形成的泄漏流加速了波谷附近内外涵两股流体的掺混,但也极大的削弱了波瓣混合排气系统的性能;波瓣内表面背风面形成具有大面积低压区的吸力面,吸力面附近内涵流体的流动状态恶化。对两种波瓣的对比研究表明,在进口预旋工况下,消旋波瓣调整吸力面侧静压分布,改善了吸力面附近内涵流体的流动,但对波谷与中心锥之间泄漏旋流强度的影响较小。消旋波瓣的弯角决定了波瓣的载荷和整流能力,消旋波瓣的几何出口角决定了波瓣尾缘截面中径处气流的周向角度。波瓣尾缘截面周向气流角的分布决定了波瓣下游流向涡的形成与发展,波瓣中径处具有较大气流角的周向旋流抑制了波峰处顺时针流向涡的形成、促进了波峰处逆时针流向涡的形成,消旋波瓣增加了波瓣吸力面附近流体的径向静压梯度,一定程度上增加波峰处顺时针流向涡的强度。另外消旋波瓣也通过改变顺、逆时针流向涡核的相对位置,增加了对正交涡环的拉伸从而加速了两股流体的掺混。在多个进口预旋工况下,消旋波瓣均改善波瓣吸力面附近流体的流动,其总压损失以及推力性能均优于基准波瓣。切凹扇波瓣的内外涵两股流体在凹扇型缺口内开始相互作用,提前引入了流向涡、增加了内外涵流体的掺混。进口预旋抑制了切凹扇基准波瓣吸力面凹扇型缺口下段附近内涵流体向外涵的刺入作用,而切凹扇消旋波瓣则减小了该抑制作用。切凹扇处理均会在下游流场凹扇型下切痕附近形成附加流向涡对,导致波瓣的整流能力下降,而消旋波瓣整流能力的下降程度大于基准波瓣,同样的切凹扇形状导致两波瓣尾缘截面不同的气流角分布,切凹扇消旋波瓣附加流向涡的强度大于切凹扇基准波瓣。在高进口预旋工况下,对波瓣进行切凹扇处理会减小波瓣输出推力,但切凹扇消旋波瓣的推力依然大于切凹扇基准波瓣。
【图文】：

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逑温、}榞逡逑图ｌ．ｉ波瓣混合器二维示意图１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ丨？丨逡逑１９６６年，Ｆｒｏｓｔ首次成功地将波瓣混合器应用到Ｓｐｅｙ和Ｃｏｎｗａｙ缩微模型逡逑发动机排气系统上，极大地提高了推重比、减少耗油率、降低了噪声［１７］。随后，逡逑波瓣混合器在很多涡扇发动机上都取得很好的应用效果，如ＣＦＭ５６－５Ｃ、逡逑ＰＷ６０００、Ｔｍｎｔ７００等。近年，波瓣混合器也被应用到国内自主研制的航空发动逡逑机排气系统上，如中国科学院工程热物理研究所在研的某小涵道比涡扇发动机逡逑（图１．２）也采用了波瓣混合排气系统。逡逑图１．２中科院工程热物理研宄所在研的某小型涡扇发动机逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｍｉｎｉ－ｔｙｐｅ邋ｔｕｒｂｏｆａｎ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋ＩＥＴ邋ＣＡＳ逡逑波瓣混合器在中小涵道比航空发动机上己有着广泛的应用，但其掺混机理逡逑还有待进一步明确，波瓣混合器的结构形式还有待进一步优化，波瓣混合器与逡逑排气系统其他部件及其上游部件的配合形式还有待进一步优化探宄。综上所述

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逦°９逡逑桘泰逡逑笤中ａ魏ｈ逦？＇‘：．’逡逑图１．３波瓣混合器主要参数示意图１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ１５１逡逑１．４瓣混合器掺混机理研究逡逑上述研宄的目的主要是为了建立波瓣几何、气动参数对波瓣混合排气系统逡逑总体性能影响的数据库，以优化波瓣混合器的设计，但其研宄侧重于实际工程逡逑应用，对波瓣加速射流掺混机理的研宄不够深入，关于波瓣混合器掺混机理的逡逑研究主要在于下游涡系（图１．４）的发现与相互作用过程研究。逡逑１９７８年，Ｂｉｒｃｈ等［２６］首次使用数值模拟方法对波瓣混合器流场进行了计算，逡逑但却没有细致的分析波瓣下游流场结构。在接下来的几年里学者们对波瓣下游逡逑流场结构以及掺混机理进行了细致研究，，Ｐｏｖｉｎｅｌｌｉ＆ＡｎｄｅｒｓｃＷ２７１使用数值和试验逡逑方法在波瓣混合器下游发现了二次流结构，指出由波瓣交变结构引起的二次流逡逑进而诱导形成的流向涡加速了射流的掺混，该流向涡决定了喷管出口截面的温逡逑度分布。随着测试技术的进步，Ｐａｔｅｒｓｏｎ和Ｗｅｒｌｄ２８１利用ＬＤＶ测量了波瓣下游逡逑射流流场
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V235.13

【参考文献】