甘曉松，何國強，楊尚榮，岳 赟

(西北工業(yè)大學燃燒、熱結構與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072)

0 引言

現(xiàn)代固體發(fā)動機盡管采用了含鋁復合固體推進劑，但大長徑比固體火箭發(fā)動機仍然受到燃燒不穩(wěn)定的困擾。為解決大型分段式裝藥固體發(fā)動機的燃燒不穩(wěn)定問題，美國和歐洲都投入了大量的人力和物力。美國開展的多學科大學研究倡議(MURI:Multi-Disciplinary University Research Initiative)試圖從基礎化學、燃燒和流體動力學的角度深入研究燃燒不穩(wěn)定問題[1];以法國為主的歐洲啟動兩大研究計劃研究燃燒不穩(wěn)定問題:分段固體發(fā)動機氣體動力學(ASSM:Aerodynamics of Segmented Solid Motors)和壓強振蕩計劃(POP:Pressure Oscillation Programs)[2]。ASSM 的主要科學目標是對渦脫落進行深入理解和建模，促進數(shù)值模擬技術的發(fā)展。POP計劃是利用P230的縮比模型發(fā)動機開展實驗研究，獲得實驗和數(shù)值數(shù)據(jù)庫，加強對分段發(fā)動機中渦脫落導致壓強振蕩現(xiàn)象的理解，尋求燃燒不穩(wěn)定的抑制方法。國外研究初步表明，聲渦耦合產(chǎn)生的共振是大長徑比固體發(fā)動機燃燒室壓強振蕩的源頭，當推進劑的壓強耦合響應等增益作用強于兩相流阻尼等抑制作用時，就會出現(xiàn)較為強烈的壓強振蕩。為深入了解渦產(chǎn)生的條件、渦與發(fā)動機結構的固有聲模式耦合的條件等，需要用冷流實驗的方法研究燃燒室的氣體動力學過程。ASSM-POP項目中一部分研究采用冷流實驗裝置，如 ONERA的 VECLA[3]和VALDO[4－5]及馮·卡門流體動力學研究中心(VKI)的冷流實驗器[6－7]。

大長徑比固體火箭發(fā)動機可能存在3種類型的渦脫落[8]:障礙渦脫落(OVS)、轉角渦脫落(AVS)和表面渦脫落(SVS)。針對障礙渦脫落，Anthoine J等[9]采用P230的1/15縮比實驗器，測試了障礙物高度和障礙物間距之比h/L與壓強波動的關系;Yildiz D[10]研究了障礙物在試驗器中的位置對壓強振蕩的影響;壓強振蕩隨障礙物剛度的變化規(guī)律在文獻[11]中做了考慮;為了觀察旋渦的配對現(xiàn)象，PIV(particle image velocimetry)技術[12]被用來顯示試驗器內(nèi)部的流動細節(jié)。

本文使用高速攝影平臺[13]和壓強測試系統(tǒng)來研究不同主流速度下障礙渦脫落的產(chǎn)生規(guī)律及脫落渦與試驗器聲腔耦合對壓強振蕩的影響。高速攝影技術可捕獲渦脫落的整個運動過程，這無疑可加深對聲渦耦合機理的理解。

1 實驗系統(tǒng)

冷流試驗系統(tǒng)主要由空氣供給系統(tǒng)、冷流實驗器、高速攝影系統(tǒng)、壓力測試系統(tǒng)及示蹤粒子加入系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 冷流實驗器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold flow experimental equipment

1.1 冷流試驗器

為了便于高速相機對實驗器內(nèi)流場進行拍攝，實驗器采用二維結構，在障礙物附近區(qū)域開有觀察窗和光源窗。整個冷流實驗器分為多段，主要包括以下幾部分:

(1)進氣段:主要負責與空氣供給系統(tǒng)相連，并確保氣流穩(wěn)定和均勻，進氣段開有傳感器孔，用于測量孔板前的氣流壓強。

(2)多孔板:主要是隔斷氣流上、下游之間的聲波傳播，以便能夠獲得確定長度的冷流實驗器聲腔。

(3)等直段:來流經(jīng)過孔板后，需要經(jīng)過一段較長的距離使產(chǎn)生的旋渦耗散。在該段開有傳感器孔，測量孔板后的壓強，即工作段的靜態(tài)壓強。

(4)觀察段:該段安裝有障礙隔板，在其附近開有觀察窗來實現(xiàn)對旋渦產(chǎn)生、脫落和傳播的觀察，并對該過程進行拍攝。

(5)噴管段:設計了一個潛入式噴管。

1.2 高速攝影系統(tǒng)

PIV和PLIF技術在流場顯示中廣泛應用，但這2種方法使用的都是頻率約30 Hz的脈沖激光器，只能得到流場的瞬態(tài)情況，對于頻率較高的情況就有不足。故本文試驗采用高速攝影系統(tǒng)來記錄障礙渦脫落的整個動態(tài)過程，通過對拍攝圖像的后處理，可得到半定量的測量結果。

本文采用的高速攝影系統(tǒng)主要包括激光器、片光轉換裝置和高速數(shù)字相機，原理如圖2所示，圖2中黑點為示蹤粒子。示蹤粒子加入裝置見圖3，示蹤粒子選用粒徑為1～10μm的Al2O3粉末。

圖2 高速攝影系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high speed camera system

圖3 示蹤粒子加入裝置Fig.3 Supp ly equipment of trace particle

固體激光器提供持續(xù)的光源，激光方向可通過光導臂轉換。片光源轉換裝置可將點激光轉換為片光源照射在流場區(qū)域。同時在垂直于片光源的方向放置高速數(shù)字相機進行拍攝，利用流場中鋁粒子的散射作用，就可獲得二維流場區(qū)域內(nèi)的旋渦運動情況。

1.3 壓強測試系統(tǒng)

障礙渦脫落引起聲渦耦合后，最直接的表現(xiàn)就是壓強振蕩，因此實驗中壓強測試系統(tǒng)是最為關鍵的部分。本實驗中要測試的壓強信號主要包括2種:靜態(tài)壓強和動態(tài)壓強。靜態(tài)壓強是指實驗器穩(wěn)定工作時內(nèi)部的平衡壓強;動態(tài)壓強是指在穩(wěn)定工作時，基于平衡壓強上下波動的波動值，即所謂的聲壓。對于靜態(tài)壓強的測量，可使用普通的壓強傳感器。但對于動態(tài)壓強，由于冷流實驗中壓強振蕩的振幅相對較小，故必須使用靈敏度較高的壓電式傳感器。測量時，壓電式傳感器首先獲得振蕩的電荷信號，然后通過電荷放大器轉換為電壓信號，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉化為壓強信號。本文靜態(tài)壓強測試使用常規(guī)的DaCY420傳感器，動態(tài)壓強測試采用國產(chǎn)CY-YD-211壓電式傳感器，靈敏度為6 960 pC/105Pa(靜標)。

2 實驗結果與分析

2.1 壓強測量結果分析

通過冷流試驗器喉栓的調(diào)節(jié)，通道主流速度可在Ma=0.07～0.18之間連續(xù)變化，每次調(diào)節(jié)增量Ma=0.01。試驗后，利用快速傅里葉變換(FFT)對測得的壓強信號進行分析，獲得壓強振蕩的振幅和頻率如圖4所示。

圖4 動態(tài)壓強FFT分析Fig.4 FFT analysis of dynam ic pressure

由圖4可看出，當主流速度為Ma=0.10和Ma=0.11時，在頻率為616 Hz處存在較為明顯的壓強振蕩，其振幅分別為10.4 Pa和6.65 Pa。對比試驗器聲場分析結果可知，616 Hz與實驗器的三階軸向固有頻率基本相近。在其他工況下，雖然在前三階固有頻率附近均存在一定程度的振蕩，但幅值都較小。

圖5為高速攝像圖片，每幅圖片中均保留了拍攝時間，其中Δt=343～345μs。由圖5可見，當主流速度為Ma=0.07時，旋渦不很明顯，且無規(guī)律，脫落的旋渦很快就向上卷起，耗散的非?？臁膲簭姕y試結果顯示該流速下沒有明顯的壓強波動。利用聲渦耦合的理論進行分析，認為渦的脫落不穩(wěn)定，沒有規(guī)律，就無法作為源頭激發(fā)具有“屬性”性質(zhì)的試驗器聲腔的固有模態(tài)，也就不存在與之進一步形成有效耦合的可能性。當主流速度增加到Ma=0.11時，旋渦的脫落較為規(guī)律，在t時刻，有 A、B 2個旋渦，經(jīng)過4Δt時間之后，旋渦B運動到原來旋渦A的位置，新產(chǎn)生1個旋渦C處于原來旋渦B的位置，經(jīng)過8Δt時間之后，旋渦C、D代替了之前的旋渦B、C。據(jù)此估算此時旋渦脫落的頻率約為724 Hz。

圖5 高速攝影圖片F(xiàn)ig.5 Experimental images of the high speed camera

其與試驗器聲場的三階固有頻率(616 Hz)比較接近。壓強測試也表明此時試驗器發(fā)生了頻率為616 Hz、振幅為6.65 Pa的壓強振蕩，故可推斷渦與試驗器內(nèi)部聲場發(fā)生了耦合作用，從而產(chǎn)生了自激振蕩。

當主流速度提高到Ma=0.13時，障礙物后的旋渦脫落帶很明顯，在t時刻產(chǎn)生旋渦A，經(jīng)過3Δt時間之后，旋渦B運動到原來旋渦A的位置，估算出旋渦脫落的頻率約為966 Hz。該頻率與實驗室聲腔的五階頻率1 019 Hz相近。結合壓強測量結果可知:Ma=0.13時的共振強度與Ma=0.11時相比微乎其微，似乎違背了聲渦耦合理論中的“鎖頻”現(xiàn)象。分析原因認為，一方面激發(fā)聲場的高階模態(tài)且發(fā)生共振相比于低階模態(tài)需要更多的能量[14]，且聲渦耦合過程中傳遞的能量不足以完成高階模態(tài)的激發(fā);另一方面，作為示蹤粒子加入的Al2O3粉末(粒徑為1～10μm)對高頻振蕩有很強的阻尼作用[15]。這兩方面原因可能導致試驗器沒有出現(xiàn)高階的壓強振蕩。

隨著主流速度進一步提高到Ma=0.15時，在t時刻有一個旋渦A;經(jīng)約2Δt～3Δt時間之后，旋渦B代替了原來的旋渦A，估算旋渦脫落頻率在1 208 Hz左右，其與試驗器聲腔的六階固有頻率(1 190 Hz)接近，但同樣沒有產(chǎn)生壓強波動，其原因分析同上。

同時，隨著“可能”被激發(fā)的模態(tài)的升高，粒子的阻尼作用與激發(fā)振蕩所需的能量都將進一步增強和增多，據(jù)此推斷當主流速度達到Ma=0.18時，更不會產(chǎn)生振蕩。當主流速度為Ma=0.18時，旋渦脫落的頻率又有升高，在t時刻有一個旋渦A;經(jīng)過2Δt時間之后，旋渦B代替了原來的旋渦A;經(jīng)過4Δt之后，旋渦C代替了原來的旋渦B，估算得到旋渦脫落的頻率約為1 449 Hz，接近于試驗器的七階固有頻率(1 390 Hz)，但沒有壓強波動發(fā)生，驗證了推斷的正確性。

3 結論

(1)本文建立的冷流試驗方案合理可行，結合高速攝影對障礙渦脫落進行了初步研究，獲得了幾乎連續(xù)的渦的運動情況。

(2)試驗結果初步表明，隨著主流速度的提高，障礙物處旋渦脫落的頻率相應增加，障礙渦脫落的頻率與主流速度基本上是遞增關系。

(3)初步研究表明，在某一主流速度下，當旋渦脫落的頻率與實驗器聲場的某一低階固有頻率接近時，會發(fā)生壓強振蕩，且兩者頻率越接近，則振幅越大。

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