超声速反应混合层大尺度结构与燃烧相互作用研究

摘要

本文以超燃冲压发动机中的典型流动结构超声速平面混合层为研究对象，采用实验研究和数值模拟相结合的方法，对超声速无反应和反应混合层的流动与燃烧过程进行研究，探索大尺度结构发展的影响因素。
　　为直观认识有限厚度超声速平面混合层的基本流场结构，采用NPLS实验技术对流场进行观测，得出其流场精细结构。相较微小厚度的超声速平面混合层的湍流发展，有限厚度超声速平面混合层因为板后回流区不稳定性的影响迅速进入湍流状态，其大尺度涡结构以基本恒定的速度向下游传播，具有慢变化、快运动的特点。展向剖面结果显示其为光暗相间的条带状分布，具有较为强烈的三维特性；在 PIV速度场中，流向运动主导混合层的运动，流向和横向速度脉动具有一定的周期性，能够表征拟序结构的发展。不同压力匹配程度的速度场结果显示，高速侧高压时，混合层厚度明显增厚；低速侧高压时混合层发展受到抑制。
　　为了弥补实验上的不足，采用大涡数值模拟对实验工况进行模拟，与实验比对发现该方法能够预测超声速平面混合层的发展。针对冷流态的平板厚度、压力匹配程度、温度以及压缩性进行考察，采用动量厚度作为评价标准，发现平板厚度越大，大尺度结构发展越快，动量厚度越厚；高速侧高压时，大尺度结构发展越迅速，混合效果越好，动量厚度越厚；高速侧温度改变时，温度越高，进入湍流状态越迅速，动量厚度越小；压缩性越大，大尺度结构发展越迅速，动量厚度越大。大尺度结构发展的影响因素归根到底是扰动波与拟序涡之间的相互关系，通过记录压力脉动，进行傅里叶变换，对超声速平面混合层进行非定常分析，其结果显示压力脉动频谱能够估算出拟序涡尺寸。
　　采用氢气/空气自点火模式考察超声速反应混合层中大尺度结构发展的影响因素，用与燃烧相联系的混合效率作为评价标准，发现与冷流类似，平板厚度越厚，大尺度结构发展越快，混合效率越高，燃烧效果越好；压力不匹配时，总体上比压力匹配时燃烧效果要好，高速侧高压时混合效率高于低速侧高压，燃烧产物组分更高；压缩性对燃烧的影响没有线性规律，总体上是压缩性越强，混合效率越高。加入激波扰动后，混合效率提升。总体上，大尺度结构主导着混合层的混合与燃烧，燃烧通过化学反应放热减小涡结构的卷吸能力，提高压缩性，抑制速度型发展，增强混合层厚度，采用一定混合增强措施是必然的结果。通过凹腔平板和交错尾部结构的混合增强措施后，混合效率显著提升，燃烧效果较好。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 超声速混合层研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 实验风洞与数值模拟方法

2.1 超声速混合层静风洞试验系统

2.2 流动成像显示技术与数字图像处理技术

2.3 数值模拟方法介绍

2.4 小结

第三章 超声速平面混合层大尺度结构特征影响因素研究

3.1 有限厚度超声速平面混合层冷流基本流场结构

3.2 有限厚度超声速平面混合层速度场结构

3.3 有限厚度超声速平面混合层中大尺度结构的影响因素

3.4 超声速平面混合层的非定常分析

3.5 小结

第四章 超声速反应混合层燃烧影响因素研究

4.1 化学反应模型

4.2 基本燃烧流场结构

4.3 超声速反应混合层燃烧影响因素

4.4 燃烧与大尺度结构相互作用

4.5 被动混合增强对燃烧的影响

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果