论文摘要
本文在高超声速飞行器相关技术迅猛发展的背景下,采用数值仿真与实验相结合的方法,对超声速流场中燃料的混合增强及火焰稳定过程进行了机理及应用研究。对超声速两相流动与燃烧进行了建模与模型简化,并基于MPI通信平台开发了大涡模拟两相流并行计算程序。对并行计算中网格分区方法,区域网格交界处通信方法,及Euler与Larange坐标系间数据传递技术进行了研究。针对超声速流动混合增强机理,从最基本的自由剪切混合层入手,研究了混合层的发展过程。采用分相模型对超声速两相流混合层进行了大涡模拟仿真研究,分析了混合层的涡结构特征,得到不同Stocks数无蒸发液滴在流场中的运动特性;通过对混合层入口小扰动的研究,发现液滴蒸发过程使混合层厚度增加,加速混合层的发展,对混合过程有很大的促进作用;随后,对混合层压力时间序列进行了相空间重构,发现混合层发展的不同阶段与其系统的非线性特征值密切相关。基于对混合层的研究结果,针对凹腔剪切层的发展,采用实验与仿真的方法,研究了超声速流场凹腔混合增强及火焰稳定机理。利用非线性分形理论,分析了实验中火焰分形维数与燃烧程度及火焰稳定性的关系,其结果与仿真得到的流动分形维数一致。在单相及两相凹腔剪切层演化、激波作用及自激振荡的研究中发现,热波扰动能有效促进凹腔剪切层混合增强,而共振激波使剪切层破碎从而增强混合,所研究的凹腔自激振荡在单相及两相流中均是涡运流声振荡模型。针对超声速剪切层扩展率低的不足,应用流向涡增强技术,设计了集燃料喷注与混合增强功能于一体的物理斜坡喷注器。对四种结构的物理斜坡喷注器进行了多种实验及仿真研究,发现后掠设计能有效促进流向涡的卷起,并加速燃料喷流柱的抬升,这不仅增进了混合,也有效增强了其火焰稳定作用。而膨胀型与压缩型斜坡存在两种不同的流向涡发展模式,这主要是膨胀型斜坡中类凹腔结构的作用,该结构能有效的增进混合。针对物理斜坡侵入流场的不足,仿真研究了超声速燃料喷流的相互作用,提出了气动斜坡设计方案。通过实验证明,所设计的喷嘴阵列能有效加速喷流后流向涡的卷起,提高超声速掺混特性,由于喷嘴阵列的喷流方向与主流方向夹角较小,总压损失也较物理斜坡、横向喷流等混合增强方式小。针对气动斜坡火焰稳定能力差的不足,研究了气动斜坡与凹腔组合结构,对比了多种组合结构的超声速混合及燃烧性能。
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