超聲速來(lái)流中橫向噴流角度對(duì)流動(dòng)與混合特性的影響

摘 要： 為了研究噴流角度對(duì)超聲速來(lái)流的影響，利用FLUENT軟件，粘性項(xiàng)采用二階中心差分，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的[k-ε]雙方程，分別對(duì)噴流角度為30°，60°，90°，120°，135°和150°進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)：隨著噴流角度的增大，平板底壁面上分離范圍擴(kuò)大，對(duì)稱面上弓形激波逐漸增強(qiáng)，總壓損失增加，噴流角為135°時(shí)混合效率最大。

關(guān)鍵詞： 超聲速來(lái)流； 噴流角度； 混合效率； 總壓損失

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）17?0151?04

0 引 言

超聲速流中的橫向噴流技術(shù)應(yīng)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、噴管推力矢量控制、高超聲速攔截導(dǎo)彈直接推力及姿態(tài)控制等[1]。當(dāng)噴流技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中時(shí)，燃料采用橫向噴射方式注入空氣進(jìn)而發(fā)生混合。一般情況下，橫向噴射比平行噴射所導(dǎo)致的混合速率要高[2]；當(dāng)噴流技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈的姿態(tài)和飛行軌跡控制時(shí)，控制力和力矩除了噴流反作用力和力矩外，噴流與來(lái)流干擾對(duì)彈身和翼面的影響也對(duì)控制力和力矩有重要貢獻(xiàn)[3]。

Lee等采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了燃料的垂直噴射[4]。研究表明：射流與超聲速來(lái)流的相互作用誘導(dǎo)出分離流和激波，造成較大的總壓損失，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)效率的下降。Mcclinto對(duì)橫向噴射角度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[5]，發(fā)現(xiàn)隨著噴射角度的增大穿透高度降低，混合效率也降低。而 Yokota對(duì)狹縫噴射角度的影響進(jìn)行了二維數(shù)值模擬[6]，發(fā)現(xiàn)隨著噴射角度的增大，穿透深度增加，混合效率和總壓損失也同樣提高。綜上，超聲速來(lái)流中橫向噴流角度的性能研究尚不夠全面有待深入研究。

本文主要是通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，改變橫向噴注燃料與超聲速來(lái)流角度對(duì)流動(dòng)與混合特性的影響。由于橫向噴射的穿透深度、分離區(qū)大小、激波強(qiáng)度均與燃料的噴射方案有關(guān)，因此為獲取最大的混合效率以及最小的總壓損失，燃料噴射方案的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 數(shù)值方法及程序驗(yàn)證

在本文的數(shù)值模擬中，利用FLUENT軟件，粘性項(xiàng)采用二階中心差分，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的[k-ε]雙方程，并選取基于密度的耦合顯示求解器求解非定常問(wèn)題。

圖3給出了對(duì)稱面上馬赫數(shù)云圖和流線圖。可以看出，欠膨脹側(cè)噴氫氣流由于動(dòng)壓較大，基本上是垂直射入主流中，并迅速膨脹形成了一個(gè)馬赫盤，通過(guò)馬赫盤的噴流在接觸面獲得與來(lái)流相同的壓強(qiáng)。由于噴流的阻礙作用，在噴口前方會(huì)誘導(dǎo)出一系列激波波系和回流區(qū)域。在超聲速來(lái)流的擠壓下，噴流會(huì)偏移，主流和噴流的剪切作用，會(huì)使得兩者的交界面發(fā)生變形、拉伸，并逐漸形成大尺度的反轉(zhuǎn)漩渦結(jié)構(gòu)。漩渦增強(qiáng)了噴流燃料與主流的混合效果，擴(kuò)展了燃料沿流向的縱向分布尺度。

圖4給出了在對(duì)稱面上，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。文獻(xiàn)[7]中測(cè)量到氫氣體積分?jǐn)?shù)0.005的位置，換算氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為0.000 3，如圖4中顯示，黑色方塊代表的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

通過(guò)比較分析，本文所采用的數(shù)值方法能夠較準(zhǔn)確的捕捉到流場(chǎng)的混合特性和流動(dòng)特性， 從而保證了本文計(jì)算結(jié)論的可靠性。

2 噴射方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

4 結(jié) 論

（1）使用FLUENT軟件，粘性項(xiàng)采用二階中心差分，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式求解標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]雙方程湍流模型，能很好地捕捉到超聲速來(lái)流中橫向射流流場(chǎng)的主要特征，包括激波與激波相互作用、激波與邊界層干擾、激波與渦的干擾形成的高次誘導(dǎo)渦系和波系等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。

（2）超聲速來(lái)流一定時(shí)，在本文計(jì)算的噴射角度范圍內(nèi)，隨著噴射角度的增加，平板底壁面上分離范圍也隨之?dāng)U大，對(duì)稱面上的弓形激波增強(qiáng)，噴流的穿透深度也增大。

（3）改變噴流角度，混合效率和總壓損失也隨之發(fā)生改變。當(dāng)噴流角度[α=]135°時(shí)，混合效率最大。沿流向各截面的總壓損失也隨著噴流角度的增大而增加。

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作者簡(jiǎn)介：楊銀軍 男，1988年出生，四川巴中人，碩士。研究方向?yàn)榱鲃?dòng)控制。

竇志國(guó) 男，1963年出生，內(nèi)蒙赤峰人，碩士，教授。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)推進(jìn)技術(shù)。

段立偉 男，1981年出生，河南商丘人，博士，工程師。