趙延輝,梁劍寒
(國(guó)防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)
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側(cè)壁激波誘導(dǎo)下凹腔燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)*
趙延輝,梁劍寒
(國(guó)防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙410073)
摘要:在單凹腔燃燒室中引入側(cè)壁激波,為研究燃燒室內(nèi)部流動(dòng)特性,采用納米粒子平面激光散射技術(shù)和粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)全尺寸玻璃燃燒室模型進(jìn)行流場(chǎng)觀測(cè),獲得了冷態(tài)流場(chǎng)展向和法向的瞬態(tài)灰度圖及平均速度場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在遠(yuǎn)壁面區(qū)域,凹腔內(nèi)部速度與密度都較低;引入側(cè)壁激波后,近壁面區(qū)域凹腔與主流的質(zhì)量與動(dòng)量交換增強(qiáng),速度與密度升高;受到側(cè)壁激波影響,燃燒室底壁邊界層不再均勻,凹腔中后部產(chǎn)生大規(guī)模低速區(qū),具有明顯三維特性。
關(guān)鍵詞:超聲速燃燒室;凹腔;冷態(tài)流場(chǎng);納米粒子平面激光散射;粒子圖像測(cè)速
凹腔是一種性能良好的火焰穩(wěn)定裝置,廣泛應(yīng)用于超聲速燃燒室中[1]。對(duì)基于凹腔的超聲速燃燒室而言,其流動(dòng)特性是研究的重要內(nèi)容。Ben-Yakar等[2]總結(jié)了基于凹腔火焰穩(wěn)定器的超聲速燃燒室研究進(jìn)展。Gruber等[3]研究了不同構(gòu)型凹腔火焰穩(wěn)定器在冷流狀態(tài)下的流動(dòng)特性,結(jié)果表明凹腔后壁面傾角對(duì)凹腔剪切層特性有重要作用,凹腔剪切層對(duì)凹腔的流動(dòng)特性有主導(dǎo)作用。Wang等[4]分析了凹腔剪切層振蕩模式,并采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)凹腔燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)和燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了研究[5],發(fā)現(xiàn)凹腔后壁傾斜角越小,凹腔剪切層進(jìn)入凹腔內(nèi)部越深,與后緣碰撞越強(qiáng),后緣斜激波也越強(qiáng)。
針對(duì)凹腔火焰穩(wěn)定器燃燒室的冷態(tài)流動(dòng)特性已有大量研究[6-7],此外還有許多針對(duì)凹腔燃燒室的燃料分布和燃燒特性[1,8-9]的研究。Dudley等[10]在凹腔燃燒室中添加了圓柱作為被動(dòng)控制手段,分析了圓柱尾跡對(duì)凹腔流動(dòng)特性的影響。本文基于已有研究,設(shè)計(jì)了全透明燃燒室,引入側(cè)壁激波作為干擾,對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了全方位觀測(cè),以研究引入的側(cè)壁激波對(duì)凹腔流動(dòng)的影響。
1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與燃燒室模型
由于受到可壓縮性、激波、不穩(wěn)定性以及湍流等因素的影響,超聲速流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究一直面臨較大的挑戰(zhàn),本文采用超聲速靜風(fēng)洞提供高品質(zhì)來(lái)流,采用納米粒子平面激光散射(Nano-particle Planer Laser Scattering,NPLS)技術(shù)與粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術(shù)對(duì)燃燒室流場(chǎng)進(jìn)行高空間分辨率觀測(cè)[11]。
1.1超聲速靜風(fēng)洞
超聲速靜風(fēng)洞由閥門(mén)、穩(wěn)定段、一體化噴管實(shí)驗(yàn)段、擴(kuò)壓段以及下游真空罐系統(tǒng)等組成。為了減少風(fēng)洞壁面散射光對(duì)圖像采集造成的不良影響,各部件都進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理。實(shí)驗(yàn)段壁面安裝大尺寸的觀測(cè)窗口,燃燒室模型均在上下觀察窗的可觀測(cè)范圍之內(nèi),可以進(jìn)行全方位的觀測(cè)。風(fēng)洞運(yùn)行不需要復(fù)雜的高壓儲(chǔ)罐以及相應(yīng)管路設(shè)施,來(lái)流有很好的均勻性和低湍流度,經(jīng)過(guò)風(fēng)洞穩(wěn)定段后,來(lái)流品質(zhì)得到顯著提高,能夠保證噴管出口為層流化流動(dòng)[12]。
風(fēng)洞來(lái)流條件如表1所示,其中靜壓、靜溫根據(jù)等熵關(guān)系式計(jì)算而得。風(fēng)洞來(lái)流總壓為1個(gè)大氣壓,總溫為300 K。在實(shí)驗(yàn)展開(kāi)之前,通過(guò)PIV對(duì)風(fēng)洞的馬赫數(shù)及流場(chǎng)均勻性進(jìn)行了簡(jiǎn)單校測(cè),根據(jù)理想氣體斜激波關(guān)系式可換算得到實(shí)際來(lái)流馬赫數(shù)為Ma=2.68。
表1 超聲速靜風(fēng)洞來(lái)流物理參數(shù)
1.2NPLS技術(shù)與PIV技術(shù)
NPLS技術(shù)采用納米二氧化鈦(TiO2)作為示蹤粒子來(lái)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行層析觀測(cè),實(shí)驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)的組成部分包括計(jì)算機(jī)、同步控制器、電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)相機(jī)、脈沖激光光源以及納米粒子發(fā)生器,詳細(xì)資料請(qǐng)參考文獻(xiàn)[13]。納米粒子發(fā)生器可以通過(guò)風(fēng)洞閥門(mén)向觀測(cè)區(qū)域內(nèi)撒播粒子,連通高壓氣源,通過(guò)調(diào)整氣源壓強(qiáng)可以控制粒子濃度的變化[14]。PIV技術(shù)則采用跨幀技術(shù)和雙曝光相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè),對(duì)跨幀前后兩幅圖像進(jìn)行傅里葉變換和互相關(guān)處理,可以計(jì)算兩幅圖像中對(duì)應(yīng)粒子的位移,從而獲得其速度場(chǎng)。CCD相機(jī)為行間傳輸型CCD,最短跨幀時(shí)間200 ns,像素陣列為4000×2672,每個(gè)像素可分辨的灰度等級(jí)為4096,配有微距鏡頭;脈沖激光光源為雙腔Nd:YAG 激光器,輸出激光波長(zhǎng)532 nm,脈沖持續(xù)時(shí)間6 ns,單脈沖最高能量350 mJ。
1.3超聲速燃燒室模型
由于超聲速靜風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段空間充裕,為了獲得燃燒室內(nèi)部流動(dòng),在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝了全尺寸的單凹腔燃燒室。為了保證透光性,燃燒室模型全部采用玻璃加工制作,從而有利于對(duì)燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行全方位觀測(cè)。
Huang等對(duì)凹腔構(gòu)型進(jìn)行了研究[15],結(jié)果表明,凹腔長(zhǎng)深比越大,后壁面傾角越小,凹腔阻力越大。依據(jù)其結(jié)論,實(shí)驗(yàn)所用單凹腔燃燒室整體構(gòu)型如圖1所示,凹腔深度為15 mm,凹腔長(zhǎng)深比為7,后壁面傾角為45°。為了避免燃燒室底壁前緣激波對(duì)流場(chǎng)造成影響,底壁前緣距凹腔前緣200 mm;燃燒室側(cè)壁也會(huì)產(chǎn)生前緣激波,為避免燃燒室壁面引入激波之間的相互耦合,同時(shí)保證風(fēng)洞正常啟動(dòng),燃燒室側(cè)壁前緣距凹腔前緣50 mm;沒(méi)有安裝燃燒上壁面,從而消除了上壁面前緣激波對(duì)燃燒室內(nèi)部流動(dòng)的影響。層析觀測(cè)的位置由片光平面決定,建立圖1所示坐標(biāo)系,片光平面位置用垂直于該平面的坐標(biāo)值表示。
圖1 單凹腔燃燒室模型及片光位置示意圖Fig.1 Scheme of single cavity combustor model and laser plane position
2結(jié)果與討論
2.1單凹腔燃燒室XOZ截面層析流場(chǎng)觀測(cè)
實(shí)驗(yàn)中粒子通過(guò)風(fēng)洞閥門(mén)進(jìn)入穩(wěn)定段,穩(wěn)定段中安裝有整流裝置,可以使粒子在來(lái)流中均勻分布。由于湍流邊界層中密度有差異,粒子濃度也有差異,粒子散射成像的灰度值會(huì)有所不同,因此可以由灰度圖評(píng)估來(lái)流邊界層厚度。
圖2(a)為燃燒室中央截面灰度圖,通過(guò)灰度值的差異可以識(shí)別出來(lái)流邊界層,由圖例可測(cè)量凹腔前緣處的來(lái)流邊界層厚度約為5 mm。凹腔剪切層的抬升對(duì)來(lái)流有阻礙作用,形成了凹腔前緣激波,其激波角為26.1°。安裝激波是由上壁面觀察窗引入的,強(qiáng)度較弱,沒(méi)有對(duì)觀測(cè)區(qū)域流場(chǎng)造成影響,而反射激波是由燃燒室底壁前緣斜激波經(jīng)上壁面反射導(dǎo)致的,由于加工工藝的問(wèn)題,燃燒室前緣不能無(wú)限薄,因此引入的前緣激波較強(qiáng),反射激波與凹腔前緣激波相交,也沒(méi)有對(duì)觀測(cè)區(qū)域的凹腔剪切層產(chǎn)生影響。凹腔前緣來(lái)流邊界層厚度為5 mm,凹腔剪切層撞擊凹腔后緣并抬升,凹腔后緣剪切層厚度增加到20 mm。圖2(b)為近壁面灰度圖,在凹腔前緣處來(lái)流邊界層厚度為20 mm,在凹腔后緣剪切層厚度增長(zhǎng)為30 mm,說(shuō)明引入側(cè)壁激波后,近壁面邊界層厚度大大提高,改變了來(lái)流條件。
(a) Y=37.5 mm截面(a) Y=37.5 mm cross section
(b) Y=5 mm截面(b) Y=5 mm cross section圖2 單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)流場(chǎng)灰度圖Fig.2 Gray image of XOZ cross sections in single cavity combustor
凹腔內(nèi)流體滯留時(shí)間在毫秒量級(jí)[16],在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中凹腔內(nèi)流體與主流進(jìn)行質(zhì)量交換,示蹤粒子可以有效顯示流場(chǎng)結(jié)構(gòu),在圖2展示的單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)流場(chǎng)中,凹腔流體的灰度值極低,來(lái)流邊界層的灰度值也較低[17],但來(lái)流邊界層的灰度值高于凹腔內(nèi)部流體,表明凹腔內(nèi)流體密度低于邊界層流體。對(duì)應(yīng)圖2中的瞬態(tài)流場(chǎng)圖,圖3給出了流道中央和近壁面的平均速度場(chǎng)(圖中U為當(dāng)?shù)厮俣龋琔e為主流速度),結(jié)合瞬態(tài)流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),Y=37.5 mm截面凹腔內(nèi)部速度很低,而在Y=5 mm截面中,凹腔內(nèi)流體速度很高。由于觀察窗有損壞,在圖3(b)的速度場(chǎng)中出現(xiàn)壞點(diǎn)。
(a) Y=37.5 mm截面(a) Y=37.5 mm cross section
(b) Y=5 mm截面(b) Y=5 mm cross section圖3 單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)平均速度場(chǎng)Fig.3 Velocity distribution of XOZ cross sections in single cavity combustor
圖4 不同流向位置速度標(biāo)量輪廓線Fig.4 Scalar velocity profiles at mutiple streamwise positions
為了更好地對(duì)比遠(yuǎn)壁面與近壁面速度差異,圖4提取了兩個(gè)截面不同流向位置速度標(biāo)量輪廓線,以主流速度作為基準(zhǔn),取無(wú)量綱速度U/Ue為X軸變量,Y軸為Z坐標(biāo)值,其中X=0 mm為凹腔前緣,X為27.5 mm,55 mm和82.5 mm的速度輪廓線延伸到凹腔內(nèi)部,X=110 mm和X=140 mm在凹腔后方,通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)壁面區(qū)域凹腔內(nèi)部速度極低,近壁面區(qū)域凹腔內(nèi)部流體速度高于遠(yuǎn)壁面區(qū)域,這在凹腔中后部尤為明顯。
圖5 不同流向位置Y方向速度分量輪廓線Fig.5 Velocity profiles of Y axis component at mutiple X positions
為了研究凹腔與主流的動(dòng)量和質(zhì)量交換特性,圖5提取了遠(yuǎn)壁面與近壁面平均速度場(chǎng)Y方向速度分量輪廓線,同樣以主流速度為基準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)量綱化,X軸變量為UY/Ue(UY為Y方向速度分量),Y軸變量為Z坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),X=0mm處,近壁面和遠(yuǎn)壁面UY/Ue相差不大;X=27.5 mm處,也就是在凹腔前部,遠(yuǎn)壁面凹腔剪切層UY/Ue幾乎為0,而近壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向凹腔內(nèi)部,但速度較低,說(shuō)明此時(shí)近壁面凹腔與主流的質(zhì)量交換是主流流體進(jìn)入凹腔;X=55 mm處,遠(yuǎn)壁面與近壁面凹腔剪切層UY/Ue都偏向凹腔內(nèi)部,但近壁面速度值約為遠(yuǎn)壁面速度值的4倍,說(shuō)明凹腔中部的質(zhì)量交換是主流流體進(jìn)入凹腔;X=82.5 mm處,遠(yuǎn)壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向主流,且速度較高,而近壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向凹腔內(nèi)部,速度較低,表明在凹腔后部,遠(yuǎn)壁面凹腔剪切層與凹腔后壁碰撞,迅速抬升,但近壁面凹腔剪切層仍偏向凹腔底壁;X=110 mm和X=140 mm速度輪廓線表明,在凹腔下游,遠(yuǎn)壁面凹腔剪切層出現(xiàn)再附,但近壁面凹腔剪切層沒(méi)有再附,反而逐漸抬升。
通過(guò)燃燒室流道中央和近壁面的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),凹腔內(nèi)部流動(dòng)在兩種條件下差異明顯。為了進(jìn)一步研究燃燒室內(nèi)部流動(dòng)特性,以及側(cè)壁對(duì)凹腔流動(dòng)的影響,對(duì)燃燒室XOY截面也進(jìn)行了層析觀測(cè)。
2.2單凹腔燃燒室XOY截面層析流場(chǎng)觀測(cè)
通過(guò)調(diào)整片光和CCD相機(jī)位置可以實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)的層析觀測(cè),由于片光在觀測(cè)區(qū)域中的光強(qiáng)不均勻,用CCD對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),不同位置的灰度值也會(huì)有差異, 圖6中圖像下半部分灰度值偏高,上半部分偏低,這就是片光強(qiáng)度不均勻造成的,但這并不會(huì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)造成干擾。
圖6(a)~(d)分別給出了Z為5 mm,10 mm,15 mm和20 mm時(shí)的瞬態(tài)流場(chǎng)灰度圖,在圖中用白色虛線標(biāo)出了凹腔前緣和后緣的位置,來(lái)流邊界層厚度大于5 mm,因此圖6(a)的觀測(cè)截面在來(lái)流邊界層內(nèi),圖中可以看到清晰的邊界層湍流結(jié)構(gòu)。將圖6中各幅圖分成R1和R2兩個(gè)區(qū)域,R1表示流道中央?yún)^(qū)域,R2則為近壁面區(qū)域。圖6(b)中可以觀測(cè)到的底壁R1區(qū)域中央產(chǎn)生了流向渦,并向下游逐漸發(fā)展,在R1區(qū)域其他部分則是均勻主流,由此可知底壁邊界層厚度并不均勻。圖6(d)中可以清楚地看到側(cè)壁產(chǎn)生的斜激波,對(duì)照斜激波位置可以得出結(jié)論:兩側(cè)壁斜激波在流道中央交匯,底壁邊界層在斜激波的作用下增厚并產(chǎn)生流向渦,來(lái)流條件不再是均勻邊界層。圖6(a)~(c)中在凹腔中后部都出現(xiàn)低灰度值流體,圖6(d)中在側(cè)壁附近出現(xiàn)間歇性脫落渦,這是底壁邊界層與側(cè)壁前緣碰撞后產(chǎn)生的。
(a) Z=5 mm截面(a) Z=5 mm cross section
(b) Z=10 mm截面(b) Z=10 mm cross section
(c) Z=15 mm截面(c) Z=15 mm cross section
(d) Z=20 mm截面(d) Z=20 mm cross section圖6 單凹腔燃燒室XOY截面瞬態(tài)流場(chǎng)灰度圖Fig.6 Gray image of XOY cross sections in single cavity combustor
(a) Z=5 mm截面(a) Z=5 mm cross section
(b) Z=10 mm截面(b) Z=10 mm cross section
(c) Z=15 mm截面(c) Z=15 mm cross section
(d) Z=20 mm截面(d) Z=20 mm cross section圖7 單凹腔燃燒室不同位置XOY截面平均速度場(chǎng)Fig.7 Velocity distribution of XOY cross sections in single cavity combustor
對(duì)照?qǐng)D7的平均速度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),這些流體的速度較低,且觀測(cè)平面距離底壁越遠(yuǎn),低速區(qū)面積越小,由此可知,受到側(cè)壁影響,近壁面R2區(qū)域的凹腔流體沒(méi)有進(jìn)入主流,而凹腔中部R1區(qū)域內(nèi)凹腔內(nèi)部流體隨凹腔剪切層進(jìn)入主流,剪切層與凹腔后緣碰撞導(dǎo)致凹腔內(nèi)呈現(xiàn)XOY截面內(nèi)近似為橢圓形的低速區(qū)。從三維空間來(lái)看,低速區(qū)為金字塔形,距離底壁越遠(yuǎn),低速區(qū)在XOY截面內(nèi)的范圍越小,具有明顯三維特性。
3結(jié)論
對(duì)單凹腔燃燒室進(jìn)行了層析觀測(cè),獲得了燃燒室內(nèi)部不同觀測(cè)截面的瞬態(tài)流場(chǎng)灰度圖以及平均速度分布,主要結(jié)論如下:
1)引入側(cè)壁激波后,流道中央的來(lái)流邊界層厚度提高,來(lái)流邊界層不再均勻,凹腔內(nèi)流動(dòng)速度低,凹腔流動(dòng)主要由剪切層特性驅(qū)動(dòng);
2)遠(yuǎn)壁面凹腔內(nèi)密度低、流動(dòng)速度低,近壁面凹腔內(nèi)密度高、流動(dòng)速度高,側(cè)壁提高了凹腔與主流的質(zhì)量和動(dòng)量交換;
3)凹腔剪切層與后緣碰撞而產(chǎn)生低速區(qū),在XOY截面內(nèi)近似為橢圓形,從立體上看分離區(qū)呈現(xiàn)金字塔式的三維特性,距離底壁越遠(yuǎn),分離區(qū)在XOY截面內(nèi)的范圍越小。
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doi:10.11887/j.cn.201602007
*收稿日期:2015-05-23
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472304)
作者簡(jiǎn)介:趙延輝(1987—), 男, 山東東營(yíng)人,博士研究生,E-mail:mj311840@126.com; 梁劍寒(通信作者), 男, 教授, 博士,博士生導(dǎo)師,E-mail:jhleon@vip.sina.com
中圖分類號(hào):V235
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1001-2486(2016)02-037-06
Experimental observation of non-reaction flow field based on cavity supersonic combustor on condition of side wall shock wave
ZHAO Yanhui, LIANG Jianhan
(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract:Side wall shock wave was introduced in supersonic combustor based on cavity. In order to study the internal flow characteristics of the combustor, nano-particle planer laser scattering and particle image velocimetry technologies were employed to observe internal flow field of combustor model made by glass. Gray images and average velocity distributions of non-reaction flow field in side view and top view were caught by experimental facilities. Observation results reveal that: speed and density of fluid inside cavity are low in the region far away from the side wall; mass and momentum exchange is enhanced in the region near the side wall on condition of side wall shock wave with high speed and density; boundary layer of combustor bottom wall becomes nonuniform due to side wall shock waves, and large scale of low speed region generates at the rear of cavity with obvious three-dimensional characteristics.
Key words:supersonic combustor; cavity; non-reaction flow field; nano-particle planer laser scattering; particle image velocimetry
http://journal.nudt.edu.cn