高速氣流中的主動(dòng)橫向射流特征數(shù)值模擬

代 威,周 萍,廖傳軍,王柏森

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076;2.北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

0 引言

隨著新一代大型民航客機(jī)、載人航天飛行器氣動(dòng)控制和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等工程應(yīng)用需求的不斷增強(qiáng),橫向射流主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的研究日益受到關(guān)注[1]。近幾十年來對橫向射流與超聲速來流的干擾流動(dòng)特性及在飛行控制中的應(yīng)用研究已取得了大量成果,并被廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器上[2-5]。另一方面,射流與主流干擾又可引起嚴(yán)重的氣動(dòng)耦合問題[6]。因此,對橫向射流的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

學(xué)者們對超聲速來流條件下橫向射流流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的仿真和實(shí)驗(yàn)研究。Karagozian等[7]和Mahesh等[8]對該研究進(jìn)行了總結(jié)。當(dāng)射流噴射進(jìn)入橫側(cè)氣流中會(huì)向流動(dòng)方向彎曲,而射流彎曲后會(huì)卷吸周圍流體進(jìn)入到射流內(nèi)部,由于橫向射流的渦團(tuán)拉伸作用,流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了環(huán)形渦、馬蹄渦、對轉(zhuǎn)渦、尾跡渦等。在超聲速來流中氣態(tài)橫向射流流場結(jié)構(gòu)方面,Morkovin等[9]最早對超聲條件下氣態(tài)橫向射流進(jìn)行研究,并于1952年利用紋影和壁面壓力測量等實(shí)驗(yàn)手段研究了其流場機(jī)理。Dickmann等[10]詳細(xì)給出了平板射流中激波-邊界層對射流流場的影響規(guī)律。Santiago等[11]在實(shí)驗(yàn)中測得該流場的速度分布,得出速度場及湍流脈動(dòng)能量等值線圖。Portz等[12]總結(jié)了射流穿透深度規(guī)律。

對于超聲速來流中氣態(tài)橫向射流摻混機(jī)理方面,Ben-Yakar等[13]揭示了超聲速條件下氣態(tài)橫向射流流場中渦結(jié)構(gòu)分布及其變化規(guī)律,但是很難講清楚射流燃料摻混的內(nèi)在機(jī)理。大量研究人員致力于燃料噴注混合定量化研究。Gamba等[14]通過冷流燃料噴注實(shí)驗(yàn)研究了射流流場中燃料的噴注混合機(jī)理,孫明波等[15]通過NPLS 實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值仿真方法擬合了超聲速來流條件下聲速氣態(tài)橫向射流的穿透深度規(guī)律。

對于噴流控制力方面,國內(nèi)外對此已經(jīng)有了比較多的研究[16-20],但大部分研究只在大氣環(huán)境下進(jìn)行,而對極稀薄環(huán)境或攻角改變時(shí)的流場結(jié)構(gòu)尤其是側(cè)向控制力的變化規(guī)律關(guān)注不夠[17,20],并缺乏細(xì)致的分析研究,對此需要開展進(jìn)一步的研究。如何有效掌握不同工況下的橫向射流流動(dòng)特征并控制其傳熱特性,對于航空航天飛行器控制具有重要意義。

本文中將從橫向射流應(yīng)用角度出發(fā),采用數(shù)值仿真的方法,對極稀薄環(huán)境超聲速條件下橫向射流進(jìn)行研究,探究不同射流的壓力、溫度、速度、角度和主流速度、環(huán)境壓力條件下流動(dòng)、壓力和溫度的耦合特征,并能夠直觀反映射流作用控制力實(shí)際作用效果,從而為射流在姿態(tài)控制作用力中的應(yīng)用提供重要參考。

1 模擬方法

采用雷諾平均方法對高速流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。需求解的可壓縮時(shí)均方程組包括動(dòng)量控制方程、能量控制方程和連續(xù)性方程,湍流模型選用SSTk-ω模型。使用有限體積方法對可壓縮控制方程進(jìn)行離散求解。氣體密度由理想氣體狀態(tài)方程決定,熱傳導(dǎo)系數(shù)和黏性系數(shù)分別由Eucken模型和Lennard-Jones模型計(jì)算,熱容和焓值與溫度的關(guān)系由NIST-JANAF多項(xiàng)式?jīng)Q定。對于噴口邊界條件,依據(jù)噴口邊界條件設(shè)置研究結(jié)果進(jìn)行設(shè)置[21],如圖1所示,當(dāng)總溫、總壓一致時(shí),對于噴口的處理無論是將面定義為噴口,還是從喉道開始計(jì)算等,其對外流場產(chǎn)生的影響均基本一致。

圖1 不同噴流邊界位置噴流流場

為了簡化模型并且避免引入過多的影響因素,本文采用圖1(a)噴口類型的邊界條件,并賦予出口靜壓、速度以及溫度,選取平板在高速條件下開展計(jì)算,坐標(biāo)系定義示意圖如圖2所示,平板及計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。流體域經(jīng)簡化后,可使用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格離散,總網(wǎng)格數(shù)量為210萬。射流孔徑10 mm,由20個(gè)網(wǎng)格離散,可保證足夠的離散精度并達(dá)到數(shù)值收斂。

圖2 坐標(biāo)系定義示意圖

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

橫向射流一般采用動(dòng)壓比J作為研究射流流場流動(dòng)與摻混的重要參數(shù),為射流動(dòng)壓與來流氣體動(dòng)壓之比,具體表達(dá)式為J=ρjUj2/ρ∞U∞2,其中ρj為射流氣體密度,uj為射流氣體速度,u∞為來流氣體速度,ρ∞為來流氣體密度,大量研究表明,動(dòng)壓比是影響射流流場結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)[22-25]。為研究高速條件下射流與主流的力熱耦合機(jī)制,通過改變平板射流的特性參數(shù)和環(huán)境參數(shù)(如表1所示),分析極稀薄環(huán)境高速條件下采用不同噴射條件的氣動(dòng)力熱變化及受力情況。

表1 平板射流特性仿真模擬工況

2 結(jié)果與討論

圖4所示為基準(zhǔn)工況1射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖,表現(xiàn)出橫向射流的典型特征,射流噴口處是流場中壓力最高的位置,壓力明顯高于流場中其他位置;射流上游,射流與主流耦合處也呈現(xiàn)局部高壓力特征。在溫度云圖中,射流與主流耦合處流場總溫最高。圖4中流線表明在射流噴口處形成旋渦,主流沿流動(dòng)方向形成順時(shí)針的旋渦,射流流動(dòng)形成逆時(shí)針的旋渦,主流與射流耦合處流線密集,速度梯度大,匯合后會(huì)形成強(qiáng)動(dòng)量耗散,并向后方流動(dòng)。射流所產(chǎn)生的反作用力仿真計(jì)算結(jié)果為260.8 N,可作為與其他工況對比的基準(zhǔn)。

針對基準(zhǔn)工況1研究橫向來流不同剖面的壓力和溫度數(shù)據(jù)。圖5所示為射流孔中心剖面(z=0.125)下不同軸向距離的壓力和溫度隨y軸的變化。從圖5中可以看出,由于射流噴口處壓力較高,遠(yuǎn)大于來流壓力,噴口處x=0.32位置壓力會(huì)急劇升高,明顯高于其他剖線處的壓力。在遠(yuǎn)離噴口的位置,如x=0.20的位置處,壓力低于x=0.25、x=0.30的位置,原因是x=0.20處射流與主流尚未耦合,此時(shí)壓力高低由來流壓力決定。在x=0.25、x=0.30位置附近壓力升高,原因是射流與主流發(fā)生耦合作用,射流的壓力遠(yuǎn)高于來流,壓力沿y方向變化的規(guī)律與射流與主流耦合的軌跡相關(guān)。在射流噴口后方x=0.35位置處,射流與主流耦合完畢,壓力又再次降低。溫度T在不同剖線上沿y坐標(biāo)的變化規(guī)律與壓力P相似,在射流與主流耦合前,流場性質(zhì)主要由來流決定,在x=0.25、x=0.30附近,射流與主流發(fā)生耦合,此后流場中溫度顯著升高。

圖5 基準(zhǔn)工況1射流孔中心剖面各剖線靜壓和靜溫沿徑向變化曲線

圖6為不同射流壓力工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖,隨著射流壓力由2 MPa提高至7.5 MPa,動(dòng)壓比J增大了3倍以上,射流穿透深度明顯增強(qiáng),對主流流場徑向上影響更遠(yuǎn),且對近壁面渦系抑制較強(qiáng),氣流被壓縮后隨射流匯入耦合面,回流區(qū)被壓縮更小。射流摻混所產(chǎn)生的溫度場變化比壓力場變化更加明顯,耦合面溫度升高并前移。當(dāng)射流壓力從7.5 MPa提高至10 MPa時(shí),動(dòng)壓比J增大1倍以上,流場壓力和溫度總體變化不明顯,同時(shí)可以觀察到射流上有渦結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步壓縮,符合預(yù)期。工況2和工況3的射流孔反作用力為2 896.4 N和5 513.6 N,隨著射流壓力和流量的增大,射流反作用力逐漸變大,且當(dāng)壓力大于7.5 MPa后作用力提升幅度明顯增加,10 MPa相對于7.5 MPa的作用力可增加約1倍。

圖6 不同射流壓力工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖

圖7為不同射流溫度工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖,流場中溫度云圖分布發(fā)生變化,壓力云圖變化相對不顯著。隨溫度改變,流場中旋渦運(yùn)動(dòng)也發(fā)生改變。隨著射流溫度升高,射流密度變小,射流速度提高,動(dòng)壓比從3 333提高到6 000,導(dǎo)致穿透深度增大,使主流向射流孔方向流動(dòng)加劇,耦合面溫度略升高。隨著射流溫度從250 K增加到450 K,射流孔反作用力由2 512.2 N逐漸提高至4 049.7 N,隨著溫度升高,射流速度增大的使動(dòng)壓比明顯提高,射流作用力也隨之明顯提高。

圖7 不同射流溫度工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖

圖8所示為不同主流環(huán)境下射流與主流耦合的靜壓云圖與靜溫云圖。從圖8中可以看出,環(huán)境壓力對壓力和溫度分布影響顯著。隨著環(huán)境壓力降低,主流流速變小,射流與主流耦合位置向前移動(dòng),主流形成的旋渦尺寸減小,旋渦中心也向前移動(dòng),導(dǎo)致流場中溫度云圖分布發(fā)生顯著改變,高溫區(qū)隨耦合位置前移。不同主流環(huán)境下的射流孔反作用力分別為863.8、863.9和863.9 N,說明在極稀薄環(huán)境對于射流反作用力的影響基本可以忽略,反作用力基本恒定。

圖8 不同主流環(huán)境下射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖

圖9所示為不同射流角度下射流與主流耦合的靜壓云圖與靜溫云圖,從圖9中可以看出射流角度的改變主要對射流與主流耦合的位置及耦合位置附近旋渦分布產(chǎn)生影響。射流以非垂直射入,增強(qiáng)來流和射流剪切作用,使流場中旋渦更復(fù)雜,旋渦數(shù)量更多,旋渦相互作用更顯著。2種射流角度下的反作用力都為863.8 N,說明在小射流角度改變不會(huì)對反作用力產(chǎn)生較大影響,射流規(guī)律適用于小尺度傾斜平面應(yīng)用。

圖9 不同射流角度時(shí)射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖

3 結(jié)論

本文中采用數(shù)值模擬方法,對超聲速條件下橫向射流特征進(jìn)行研究,探究不同射流的壓力、溫度、速度、角度和主流速度、環(huán)境壓力等變量對射流特征的影響規(guī)律,主要得到以下結(jié)論:

1) 動(dòng)壓比隨射流壓力增大而提高,射流穿透深度明顯增大,對主流流場徑向上影響更遠(yuǎn),且對近壁面渦系抑制較強(qiáng),氣流被壓縮后隨射流匯入耦合面,回流區(qū)被壓縮更小。射流摻混所產(chǎn)生的溫度場變化比壓力場變化更加明顯,耦合面溫度升高并前移。

2) 射流溫度變化時(shí)流場中溫度云圖分布發(fā)生變化,流場中旋渦運(yùn)動(dòng)也發(fā)生改變,壓力云圖變化不顯著。隨著射流溫度升高,穿透深度增大,使主流向射流孔方向流動(dòng)加劇,耦合面溫度略升高。

3) 隨著環(huán)境壓力降低,主流流速變小,射流與主流耦合位置向前移動(dòng),主流形成的旋渦尺寸減小,旋渦中心也向前移動(dòng)。由于射流與主流耦合位置向前移動(dòng),導(dǎo)致流場中溫度云圖分布發(fā)生顯著改變,高溫區(qū)隨耦合位置前移發(fā)生改變。

4) 射流角度的改變主要對射流與主流耦合的位置及耦合位置附近旋渦分布產(chǎn)生影響。在射流非垂直射入的條件下,流場中旋渦更復(fù)雜,旋渦數(shù)量更多、旋渦相互作用更顯著。

5) 射流壓力和溫度對于動(dòng)壓比的提高很明顯,壓力和溫度的升高可明顯提高射流反作用力,通過靈活調(diào)節(jié)壓力和溫度可實(shí)現(xiàn)不同反作用力。而不同主流環(huán)境與射流角度對于反作用力的影響基本可忽略。