基于非稳定微射流的射流主动控制研究

发布时间：2018-12-30 19:08

【摘要】：随着我国经济快速发展,能源需求与环境污染问题日益突出。能源的高效清洁利用成为必然选择,燃料与空气的快速混合直接影响着燃烧效率、污染物排放等指标。另一方面,我国民用航空发动机发展滞后,严重制约民用航空工业的发展。突破航空发动机关键技术瓶颈,打破国际垄断,有助于提升我国科技创新能力和综合国力。而发动机降噪技术便是先进航空发动机的关键技术之一,发动机尾流与空气的快速混合可以有效降低发动机尾流噪声。因此,射流混合问题是高效清洁燃烧和发动机降噪技术等应用涉及的基础科学问题之一,理解射流混合机理,开展射流控制研究对节能环保和高端装备等战略性新兴产业的关键技术突破至关重要。在射流混合控制方面,非稳定微射流技术具有诸多优点,包括较小的推力损失、较宽的频率范围和扰动幅值范围等。然而,对该方面的研究还不够系统完善,尤其是实验研究较少,使得微射流与主射流的相互作用及其控制机理还不清晰。为此,本文对基于非稳定微射流的射流主动控制进行了深入的实验研究。其中6支非稳定微射流周向均匀分布于主射流出口上游。实验中主射流出口雷诺数为8000。微射流控制参数包括微射流与主射流的质量流率比、微射流脉冲频率与主射流首选模式频率的比值、微射流的支数以及布置方式。利用热线测速技术和粒子图像测速仪(PIV)技术等先进的流体测量手段对非稳定微射流控制和未控制下的主射流流场进行详细测量,以获得准确的速度场、涡量场以及旋涡结构的可视化等。基于大量实验数据,详细对比分析微射流控制下主射流大尺度拟序结构的产生和发展过程,进而对非稳定微射流的控制机理展开了深入的探讨。在非稳定微射流的作用下,主射流中轴线上的速度衰减率得到了显著的提高,而且微射流的激励频率、质量流率、支数以及布置方式对主射流衰减率有显著的影响。首先,微射流的最佳激励频率与主射流的首选模式频率相等,在此频率下,主射流大尺度拟序结构的产生和配对得到增强,从而加强了射流的卷吸作用并由此加快射流衰减。其次,微射流与主射流的质量流率比严重影响着主射流衰减率。在小质量流率比时,主射流的衰减率和微射流的有效穿透度相关,穿透度最大时,衰减率最大。此时,微射流起到激发射流不稳定性的作用,使得大尺度结构所引起的卷吸作用被极大的增强,进而提高了主射流的衰减率。在大质量流率比时,微射流间相互碰撞或微射流与喷嘴内壁面的碰撞产生了湍流,这种湍流对主射流衰减率的增加起主要作用。最后,微射流的支数与布置方式对主射流的衰减率有很大的影响。当采用两支夹角为60°的微射流且激励频率与主射流的首选模式频率相等、微射流与主射流的质量流率比为2%时,主射流的衰减率最大,达到了未加控制时的11.8倍。本文揭示了非稳定微射流的三种控制机理:首先,当采用一支微射流以及两支非对称布置的微射流(夹角为60°或120°)时,主射流呈现出倾斜的涡环和交错排列的旋涡配对,并由此诱导而产生射流振荡的现象。其中夹角为60°时,呈现出完全振荡的射流,在同一流向位置,射流两侧的流向脉动速度完全反向,相位差为180°。在非对称扰动下所产生的射流振荡运动能够显著增加振荡方向上的射流扩散,由此导致射流衰减率的增加。其次,当采用两支对称布置(夹角为180°)以及多支(3-5)微射流时,主射流的流动结构呈现出复杂的三维特性,包括扭曲变形的涡环、周向固定的反向旋转流向涡对以及不断向外生长出的蘑菇状流向涡。这三种结构的相互作用导致了主射流的快速衰减。最后,当采用六支微射流时,剪切层沿整个圆周发生上卷,产生不光滑的环状结构。环状结构的快速生长及其三维发展使得射流在整个圆周方向上都发生快速卷吸和扩散,从而导致射流衰减率的增加。此外,流动可视化结果还表明微射流的支数N对主射流扩散有很大的影响。当N=1时,射流沿着入射平面扩散;当N=2~5时,射流沿着非入射半平面扩散,出现分支的现象。分支的数目随着N而变化:N=1或2时,形成两个分支;N=3时,形成3个分支;N=4时,形成2个分支;N=5时,仅形成一个分支;N=6时,没有明显的分支产生。这种现象和周向固定反向旋转流向涡对的数目有很大关联。每个反向旋转的流向涡对会对位于其中间的流体产生一个向外的诱导作用,诱使流体沿该方向向外扩散,最终形成一个分支。总而来说,本文围绕基于非稳定微射流的射流主动控制技术进行了深入的实验研究。针对微射流的激励频率、入射质量流率比、支数及布置方式对主射流流动特性的影响展开了详细的实验研究。研究了非稳定微射流与主射流的相互作用,阐述了非稳定微射流参数对主射流流动结构的影响,揭示了非稳定微射流的三种控制机理,提出了非稳定微射流作用下主射流的流动结构模型。从而进一步完善了非稳定微射流技术的相关理论,为相关领域中的关键技术的突破奠定了基础。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O358

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