強迫振動下超聲速混合層的流場結(jié)構(gòu)和摻混特性.pdf

1、論文以提高雙燃燒室沖壓發(fā)動機（DCR）中中心富燃燃氣與邊區(qū)空氣的摻混效率為研究背景，以DCR中超聲速混合層為研究對象，綜合采用了納米粒子平面激光散射（NPLS）技術(shù)、粒子圖像測速（PIV）技術(shù)以及大渦模擬（LES）方法，對不同振動條件下超聲速混合層的流場結(jié)構(gòu)和摻混特性進行分析研究。
　　論文從理論分析、實驗研究以及數(shù)值仿真三個方面綜述了國內(nèi)外關(guān)于超聲速混合層流動的研究進展，在此基礎(chǔ)上分析了主動控制技術(shù)和被動控制技術(shù)等混合增強方法的

2、特點。最后，對通過振動誘導(dǎo)來實現(xiàn)流動控制的研究現(xiàn)狀進行分析。
　　結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于振動誘導(dǎo)混合增強的最新研究成果，設(shè)計了用于開展實驗的懸臂結(jié)構(gòu)試驗件，試驗件與雙噴管剛性連接。整個實驗在超聲速吸氣式混合層風(fēng)洞中進行，為了保證得到精細的流場結(jié)構(gòu)，對超聲速混合層風(fēng)洞進行了流場校測，得到上下兩層的實際來流馬赫數(shù)分別為2.12和3.18，對流馬赫數(shù)為0.22。采用可控振動系統(tǒng)激勵雙噴管后的薄平板結(jié)構(gòu)，控制薄平板的頻率和振幅，結(jié)合邊緣檢測技術(shù)研

3、究了超聲速混合層大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)展和演化規(guī)律。采用動網(wǎng)格技術(shù)描述彈性薄平板的運動，采用大渦模擬方法對流動過程進行數(shù)模模擬分析。
　　采用 NPLS觀測系統(tǒng)獲得了不同振動條件下流動的精細結(jié)構(gòu)，對超聲速混合層流動結(jié)構(gòu)典型特征的研究發(fā)現(xiàn)：超聲速混合層的演化經(jīng)歷了層流區(qū)、轉(zhuǎn)捩區(qū)以及完全湍流區(qū)三個流動區(qū)域。同時，施加強迫振動并沒有顯著改變流場中大尺度結(jié)構(gòu)向下游運動時“快運動、慢變化”的流動特性。此外，不同振動下流動的精細結(jié)構(gòu)直觀的表明：強迫振

4、動對超聲速混合層的流場結(jié)構(gòu)和摻混特性有重要影響。與無振動下相比，強迫振動顯著增強了混合層的三維特性，流動的失穩(wěn)位置提前，卷起的展向渦尺度變大，加快上下兩層流動的混合。通過對比無振動和振動頻率為4000Hz條件下展向結(jié)構(gòu)的精細圖像，發(fā)現(xiàn)無振動下展向結(jié)構(gòu)的三維特性更加突出，而施加頻率為4000Hz的高頻振動時，展向結(jié)構(gòu)變得相對有序，并呈現(xiàn)出黑白相間的條帶狀結(jié)構(gòu)。此外，實驗清晰的捕捉到了展向結(jié)構(gòu)中存在的羊角渦擬序結(jié)構(gòu)。
　　PIV技術(shù)獲

5、得了不同振動條件下流動的速度場分布，結(jié)果表明：施加強迫振動并沒有顯著改變混合層的流向速度的分布，但是對橫向速度的分布有較大的影響，有效的增大了橫向速度值。一般來講，橫向速度值越大，大尺度渦結(jié)構(gòu)的卷吸能力更強，上下兩層來流的動量和標(biāo)量混合的越充分。
　　最后分析了強迫振動對混合層流動摻混特性的影響。結(jié)合了實驗與數(shù)值仿真，采用邊緣檢測、偽彩色處理以及分形維數(shù)分析等圖像處理技術(shù)，定義并使用了超聲速混合層增長速度、動量厚度、標(biāo)量混合度以及