可壓縮橫向射流和旋擰射流的大渦模擬研究.pdf

1、以發(fā)動機燃燒室內(nèi)存在的復雜射流與來流相互作用問題為背景，本文采用大渦模擬方法研究了超聲速來流中橫向射流、超聲速來流中橫向脈沖射流以及超聲速旋擰射流問題。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流中橫向射流問題，著重探討了射流與來流的動量通量比和射孔形狀對流動特性的影響。這類問題蘊含著諸多復雜的流動現(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。當欠膨脹聲

2、速射流橫向射入超聲速流場之后，會形成一系列復雜的三維激波和渦結(jié)構，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)渦對等。研究發(fā)現(xiàn)，當動量通量比較小時，上述激波結(jié)構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)構變形不甚明顯。射流與來流的交界面處形成了大尺度的射流剪切渦結(jié)構，這些結(jié)構能夠促進射流與來流的混合。通過追蹤這些結(jié)構的質(zhì)心位置，詳細討論了它們的時空演化特性。射流穿透深度是衡量射流與來流混合的重要參

3、數(shù)，研究表明，穿透深度隨動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。通過流場中湍流脈動特性分析發(fā)現(xiàn)，射流上游馬蹄渦處流向雷諾應力占優(yōu)，而射流下游的法向雷諾應力得到了增強，這與流場中反向旋轉(zhuǎn)渦對相關。
　　 (2)采用大渦模擬方法研究了超聲速來流中橫向脈沖射流問題，詳細地分析了該問題中存在的幾種重要的流動現(xiàn)象，包括射流穿透深度的增加、射流/來流混合的增強、流場內(nèi)復雜的激波和渦結(jié)構以及相互

4、作用等。研究表明，由于射流的脈沖效應，流場內(nèi)激波結(jié)構呈現(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)構更不規(guī)則。當脈沖射流處于高動量通量比時，穿透深度會明顯增加。桶狀激波的大幅度變形會造成穿透深度的明顯變化，進而增加穿透深度隨時間的變化幅度。由于射流的脈沖效應以及射流/來流的相互作用，流場中湍流脈動得到了增強，在射流附近法向，湍流脈動占主導。基于流場的湍流特征，針對與大尺度混合特性相關的區(qū)域進行了分析，發(fā)現(xiàn)脈沖效應能夠

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