吳 迪，金 捷 ，季鶴鳴 ，徐勝金

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；3.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

凹腔支板尾緣渦脫落頻率試驗(yàn)研究

吳 迪1，金 捷1，季鶴鳴2，徐勝金3

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；3.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

為研究不同結(jié)構(gòu)尺寸的凹腔對(duì)支板尾緣渦脫落頻率特性的影響，設(shè)計(jì)了用于一體化加力燃燒室的帶凹腔支板部件，并對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)洞冷態(tài)試驗(yàn)。對(duì)所測(cè)得的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，并與標(biāo)準(zhǔn)支板的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：開(kāi)凹腔設(shè)計(jì)改變了渦脫落頻率變化趨勢(shì)，而不同結(jié)構(gòu)尺寸的凹腔對(duì)尾跡區(qū)渦脫落頻率的影響相近。

支板；凹腔；頻率；加力燃燒室；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；試驗(yàn)

0 引言

傳統(tǒng)的加力燃燒室多采用V型穩(wěn)定器在流場(chǎng)中形成低速回流區(qū)以組織燃燒和穩(wěn)定火焰，但同

時(shí)也帶來(lái)了流道阻塞和總壓損失。特別是在非加力狀態(tài)下，加力燃燒室所帶來(lái)的附加質(zhì)量和流動(dòng)損失都是無(wú)意義的，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的進(jìn)一步提高。因此，必須對(duì)加力燃燒室火焰穩(wěn)定方式進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，基于此提出支板穩(wěn)焰設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]提出了1種帶射流注入的支板火焰穩(wěn)定方案，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)其冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了初步研究。研究表明，該支板火焰穩(wěn)定方案雖然可行，但其通過(guò)注入2股氣流形成低速回流區(qū)，工作過(guò)程難于控制。

本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室穩(wěn)定工作的需要，結(jié)合尾緣突擴(kuò)，設(shè)計(jì)凹腔支板火焰穩(wěn)定新方案，并探討凹腔結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)支板尾緣處渦脫落頻率的影響。

1 帶凹腔支板的結(jié)構(gòu)方案

加力燃燒室火焰穩(wěn)定是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)問(wèn)題，涉及的影響因素比較多，采用凹腔支板穩(wěn)定火焰具有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)律性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，可調(diào)節(jié)性差。采用帶凹腔尾緣突擴(kuò)支板穩(wěn)定火焰，可望在下游形成最有利于組織燃燒的低速回流區(qū)。而該回流區(qū)內(nèi)流場(chǎng)是1個(gè)典型的周期性非定常流場(chǎng)，流場(chǎng)中渦脫落頻率將直接影響燃油與空氣的摻混速度和火焰停留時(shí)間，進(jìn)而影響到燃燒效率和穩(wěn)定性。因此，對(duì)回流區(qū)流場(chǎng)中渦脫落頻率的研究十分必要。

目前，凹腔穩(wěn)焰技術(shù)主要應(yīng)用于2個(gè)領(lǐng)域：（1）以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為應(yīng)用背景的在超聲速來(lái)流環(huán)境下組織燃燒的沖壓燃燒室[2]；（2）以燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為應(yīng)用背景的在亞聲速來(lái)流環(huán)境下組織燃燒的駐渦燃燒室[3]。這2種燃燒室都是利用高速氣流流經(jīng)壁面凹腔時(shí)所形成的旋渦來(lái)穩(wěn)定火焰。加力燃燒室支板穩(wěn)焰設(shè)計(jì)借鑒了凹腔穩(wěn)焰技術(shù)，同時(shí)結(jié)合突擴(kuò)技術(shù)，在渦輪后框架處實(shí)現(xiàn)新的加力燃燒室穩(wěn)焰設(shè)計(jì)方案。

常規(guī)渦輪后框架支板如圖1所示，帶凹腔的尾緣突擴(kuò)支板如圖2所示。從圖2中可見(jiàn)，新型支板采用帶凹腔的尾緣突擴(kuò)翼型結(jié)構(gòu)，采用翼型作為支板截面的母體，這樣可減少流阻損失。在翼型的雙側(cè)開(kāi)對(duì)稱凹腔，在壁面氣流流經(jīng)凹腔時(shí)形成旋渦，構(gòu)成穩(wěn)定的點(diǎn)火源。在尾緣處采用突擴(kuò)設(shè)計(jì)，前方來(lái)流在尾緣后形成大范圍的低速回流區(qū)，成為主要燃燒區(qū)域。

2 試驗(yàn)研究方法和過(guò)程

2.1 帶凹腔支板渦脫落頻率模擬試驗(yàn)件

由于該模擬結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件（如圖3、4所示）采用低速風(fēng)洞試驗(yàn)，無(wú)法模擬真實(shí)加力燃燒室工作狀況下的Ma，故以Re作為相似準(zhǔn)則數(shù)，對(duì)實(shí)際帶凹腔支板結(jié)構(gòu)按比例放大試驗(yàn)件模型，并結(jié)合具體試驗(yàn)條件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。放大后的試驗(yàn)件有利于加工和觀測(cè)，方便試驗(yàn)測(cè)量。本研究主要關(guān)注凹腔結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)于尾緣渦脫落頻率的影響，鑒于支板具有對(duì)稱性，試驗(yàn)件采用單側(cè)開(kāi)凹腔的設(shè)計(jì)，在不影響流場(chǎng)整體規(guī)律性的前提下，有效簡(jiǎn)化了試驗(yàn)件加工及測(cè)量步驟，縮短了試驗(yàn)周期；試驗(yàn)采用2維測(cè)量方式，為了維持試驗(yàn)的2元性，將支板展向延長(zhǎng)。這些變化有利于突出主要因素的影響。

表1 4組試驗(yàn)件具體幾何參數(shù)

試驗(yàn)件共有4組（如圖5所示，見(jiàn)表1），4組支板試驗(yàn)件長(zhǎng)度c及最大厚度t均相同，但凹腔尺寸結(jié)構(gòu)不同。其中1組試驗(yàn)件（A0）為無(wú)凹腔標(biāo)準(zhǔn)翼型支板，另外3組試驗(yàn)件（A1、A2、A3） 凹腔長(zhǎng)度 L不變，凹腔深度H及凹腔地面與凹腔后壁面的夾角有變化。各組試驗(yàn)件安裝方式、試驗(yàn)環(huán)境均相同。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了不同凹腔尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)于尾跡區(qū)渦脫落頻率的影響。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

渦脫落頻率試驗(yàn)主要采用2種方式：（1）測(cè)量尾跡區(qū)的脈動(dòng)速度信號(hào)，再由速度功率譜求出渦的脫落頻率，測(cè)速方法主要包括熱線風(fēng)速儀[4]和激光測(cè)速儀[5]；（2）測(cè)量尾跡區(qū)的壓力脈動(dòng)信號(hào)，再由壓力功率譜求出渦的脫落頻率，測(cè)壓方式主要采用壓力傳感器[6-7]。

在試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量尾跡區(qū)的脈動(dòng)速度信號(hào)，進(jìn)而求出渦脫落頻率。試驗(yàn)設(shè)備主要由供氣系統(tǒng)和旋渦頻率測(cè)量段組成。

（1）供氣系統(tǒng)。本試驗(yàn)在清華大學(xué)航天航空學(xué)院開(kāi)放式低速低湍流度直流風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞結(jié)構(gòu)如圖6所示。

風(fēng)洞進(jìn)、出口直接與大氣相連。試驗(yàn)段截面尺寸為500mm×500mm，長(zhǎng)為2mm。試驗(yàn)段部分穩(wěn)定風(fēng)速范圍為2～45m/s，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)速連續(xù)可調(diào)，最大湍流度ε≤0.5%。

（2）旋渦頻率測(cè)量段。該測(cè)量段位于風(fēng)洞試驗(yàn)段，在試驗(yàn)過(guò)程中，為了獲得渦脫落頻率信息，采用TSI公司恒溫式熱線風(fēng)速儀的1根單絲熱膜在尾流區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，其熱線測(cè)試點(diǎn)分布如圖7所示。在熱膜測(cè)試尾流區(qū)，測(cè)試點(diǎn)布置于和處，采樣頻率為5kHz，采集時(shí)間為26 s。

在試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)件在4種工況下進(jìn)行，Re 分別取 0.5×105、1.05×105、1.68×105、2.2×105，（，其中，U為試驗(yàn)段進(jìn)口來(lái)流速度；L為直板弦長(zhǎng)；V為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)），對(duì)應(yīng)試驗(yàn)段進(jìn)口來(lái)流速度為 7、15、22、32m/s。在試驗(yàn)前，首先對(duì)熱線風(fēng)速儀進(jìn)行標(biāo)定，之后開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)到待測(cè)工況，穩(wěn)定后，再通過(guò)計(jì)算機(jī)控制熱線風(fēng)速儀采集數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)熱線風(fēng)速儀采集到試驗(yàn)件在某一工況下測(cè)量段內(nèi)1點(diǎn)的一系列速度值，并通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到速度功率譜，并分析得出渦脫落頻率。將同一試驗(yàn)件在同一工況下測(cè)試段內(nèi)3個(gè)測(cè)試點(diǎn)所得到的渦脫落頻率進(jìn)行代數(shù)平均，得到該試驗(yàn)件在該工況下的尾跡區(qū)渦脫落頻率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 速度功率譜

尾跡區(qū)速度波動(dòng)一般認(rèn)為有2個(gè)原因。一個(gè)是湍流隨機(jī)脈動(dòng)，其幅值較小，沒(méi)有明顯的規(guī)律性：另一個(gè)由渦周期性脫落引起，其頻率幅值較大，并且與Re相關(guān)。因此，可認(rèn)為由熱線風(fēng)速儀撲捉到的信號(hào)經(jīng)處理后所得的功率譜中，功率譜峰值與漩脫落頻率相對(duì)應(yīng)，而湍流的隨機(jī)脈動(dòng)構(gòu)成了功率譜中的噪點(diǎn)。

試驗(yàn)件A1在測(cè)點(diǎn)y/L=0的功率譜如圖8所示，其對(duì)應(yīng)的Re=0.5×105。從圖中可見(jiàn)，有2處明顯峰值，分別對(duì)應(yīng)頻率98Hz和197Hz，由于2個(gè)頻率峰值不同，并且第2個(gè)頻率值約為第1個(gè)頻率值的2倍，可認(rèn)為第1個(gè)頻率值為漩脫落頻率，第2個(gè)頻率值為其倍頻。這種情況在其它工況下和其它測(cè)點(diǎn)也存在，通過(guò)分析和比較就不難找出每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的漩脫落頻率。在該工況下，測(cè)試段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的功率譜峰值見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)件A1各測(cè)點(diǎn)功率譜峰值（Re=0.5×105）

3.2 不同試驗(yàn)件渦脫落頻率隨Re的變化

不同試驗(yàn)件渦脫落頻率隨Re的變化如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于同一試驗(yàn)件而言，渦脫落頻率隨Re的增大而增大。其中A0的渦脫落頻率與Re成正比關(guān)系，因特征尺寸相同，故其與來(lái)流速度呈正比，這與經(jīng)典的圓柱渦脫落特性相似。而A1、A2、A3的渦脫落頻率呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，均隨著Re的增大，渦脫落頻率的曲線斜率增大，在Re＞1.68×105時(shí)，A1、A2、A3曲線斜率大于A0曲線的。

A1、A2曲線趨于重合，并且其頻率值始終大于A0的：在Re=1.05×105時(shí)，頻率值與A0的相近，在Re＞1.05×105時(shí)，隨著Re的增大，其頻率值與A0頻率值的差值不斷增大。

A3曲線頻率值始終小于A1、A2，在Re=0.5×105時(shí)，其頻率值與A1、A2的相近，在

Re＞1.05×105時(shí)，其頻率值與A1、A2的差值始終保持在40Hz左右。在Re=1.9×105時(shí)，A1、A2、A3的頻率值均大于 A0。

在 Re＜1.68×105時(shí)，A0、A1、A2、A3的頻率值相近，與A0比較，最大相對(duì)差值約15.7%（30Hz）。

4 結(jié)論

本文主要采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量了不同來(lái)流速度下支板尾緣處回流區(qū)的速度交變情況，據(jù)此分析了支板尾緣渦脫落頻率。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）氣流流經(jīng)帶有后臺(tái)階結(jié)構(gòu)的支板壁面，在其后方形成渦，并且渦不斷向下游發(fā)展、脫落，此過(guò)程為非定常過(guò)程。

（2）隨著Re的增大，渦脫落頻率逐漸增大。標(biāo)準(zhǔn)翼型支板渦脫落頻率與Re成正比關(guān)系，各凹腔支板渦脫落頻率呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。開(kāi)凹腔改變了渦脫落頻率隨Re增大的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出曲線斜率不斷增大的趨勢(shì)，在高Re情況下，凹腔支板渦脫落頻率大于標(biāo)準(zhǔn)翼型支板的，且差值不斷增大。

（3）凹腔深度變化對(duì)于尾跡區(qū)渦脫落頻率基本無(wú)影響，帶傾角的凹腔后壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致尾跡區(qū)渦脫落頻率減小，但對(duì)于渦脫落頻率的變化趨勢(shì)基本無(wú)影響。

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Experimental Study of Vortex Shedding Frequency at Trailing Edge of a Cavity-Based Strut

WU Di1， JIN Jie1， JI He-ming2， XU Sheng-jin3
（1.School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China;2.AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China;3.School of Astronautics and Aeronautics,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

In order to study the effect of different cavities on the vortex shedding frequency at the railing edge of a strut,a series of cavity-based struts used for the integrated afterburner were designed.The wind-tunnel cold tests were carried out for those struts.The spectrum analysis of the speed data obtained from the tests were completed,and compared with the data about the standard struts.The results show that the variation trend of the vortex shedding frequency are altered by various cavities,but the effects of various cavities on the its trailing edge vortex shedding frequency are similar.

strut;cavity;frequency;afterburner;aeroengine;test

吳迪（1985），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)。