宋宇寬，雷志軍，張燕峰，盧新根

（1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

波瓣混合器是一種廣泛應(yīng)用于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的被動(dòng)摻混方式。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，學(xué)者對(duì)波瓣射流摻混機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究。Povinelli等和Blackmore等通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了波瓣下游流場(chǎng)中大尺度流向渦的存在及其對(duì)氣流摻混的重要作用；Manning采用可視化測(cè)量技術(shù)觀測(cè)到波瓣后由于不穩(wěn)定性產(chǎn)生的正交渦結(jié)構(gòu)。流向渦和正交渦之間的相互作用加速流向渦的耗散和破碎，形成大量的小尺度湍流斑。通常認(rèn)為，流向渦主導(dǎo)了大尺度的內(nèi)、外涵對(duì)流，而湍流斑主導(dǎo)了小尺度的摻混。

除對(duì)摻混機(jī)理的研究外，研究人員也對(duì)幾何參數(shù)和進(jìn)口氣流參數(shù)對(duì)波瓣混合器氣動(dòng)性能的參數(shù)化影響進(jìn)行研究，幾何參數(shù)包括波瓣瓣數(shù)、波瓣穿透率、中心錐參數(shù)等；而氣動(dòng)參數(shù)主要是內(nèi)、外涵進(jìn)口的速度比和進(jìn)口預(yù)旋角。對(duì)于速度比，Yamamoto等認(rèn)為速度比為1.0時(shí)比1.25時(shí)氣流摻混稍慢，但不存在太大差別；單勇等的數(shù)值計(jì)算表明，隨著涵道比的增大，出口流體的徑向速度梯度減小，出口平均噪聲聲壓級(jí)降低36%左右；Mao等的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，流向渦、正交渦和速度比3種因素在氣流摻混過(guò)程中起決定性作用，并且三者的影響并不相互獨(dú)立；Yu等發(fā)現(xiàn)速度比為2.0時(shí)，波瓣幾何外形和波峰和噴管壁面間的間隙誘導(dǎo)分別對(duì)內(nèi)、外涵之間和外涵與大氣之間的摻混有重要影響，而速度比為0.4時(shí)二次流的強(qiáng)度受到削弱，流向渦僅在波峰附近形成，摻混效率不如速度比為2.0時(shí)的。雖然速度比對(duì)渦系發(fā)展的影響研究已經(jīng)較為具體，但還存在一些機(jī)理問(wèn)題沒(méi)有完全澄清，比如速度比的改變對(duì)波瓣下游氣流摻混發(fā)展的影響等。另外，進(jìn)口預(yù)旋通常出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)非設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下或使用高負(fù)荷低壓渦輪葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)中。進(jìn)口預(yù)旋卷吸大量有用的軸向工質(zhì)，雖然會(huì)促進(jìn)摻混，但也會(huì)引起額外的推力和總壓損失。雷志軍、蘇尚美等系統(tǒng)研究了低壓渦輪出口氣流角對(duì)波瓣摻混機(jī)理的影響，得到了氣流角大小、徑向分布等條件的變化對(duì)波瓣渦系發(fā)展及射流摻混的影響規(guī)律；柴猛等在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種折彎葉瓣的消旋波瓣混合器，有效提高了進(jìn)口預(yù)旋工況下排氣系統(tǒng)的推力性能。但是文獻(xiàn)[14-17]等的研究均在速度比為1.3的工況下進(jìn)行，未對(duì)不同速度比工況下預(yù)旋對(duì)波瓣渦系發(fā)展的影響進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

本文結(jié)合3維數(shù)值模擬和試驗(yàn)，分析不同進(jìn)口預(yù)旋和速度比工況下波瓣下游渦系發(fā)展、耗散過(guò)程的機(jī)理，并進(jìn)一步評(píng)估其對(duì)射流摻混過(guò)程的綜合影響。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型與邊界條件

所用的波瓣混合器周向均布了15個(gè)葉瓣，具有20°的上擴(kuò)角和25°的下擴(kuò)角，波瓣長(zhǎng)度為94 mm，高為47 mm。其表面尺寸如圖1所示。

圖1 波瓣混合器表面尺寸

數(shù)值計(jì)算所用的計(jì)算域和計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。選取包含1個(gè)葉瓣的24°扇型區(qū)域，幾何模型包含了波瓣混合器、中心錐和噴管。為了更好地模擬波瓣下游射流的發(fā)展過(guò)程和射流與大氣相互作用的過(guò)程，在噴管出口上游1（為波瓣尾緣處內(nèi)涵截面水力直徑）的位置設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)的氣流進(jìn)口，在徑向距離3處設(shè)置徑向遠(yuǎn)場(chǎng)流場(chǎng)作為計(jì)算域的頂部邊界，計(jì)算域軸向出口在噴管出口下游5處，以便更好地模擬射流離開(kāi)噴管后的發(fā)展過(guò)程。

圖2 計(jì)算域劃分和計(jì)算網(wǎng)格

鑒于波瓣幾何外形十分復(fù)雜，計(jì)算域的網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在固壁附近采用15層棱柱網(wǎng)格加密，相鄰網(wǎng)格的膨脹比為1.2，總網(wǎng)格數(shù)量約為3000萬(wàn)。在邊界條件方面，內(nèi)、外涵工質(zhì)均采用不可壓理想空氣，湍流度分別設(shè)置為5%和1%；內(nèi)、外涵進(jìn)口為速度進(jìn)口邊界條件，計(jì)算域兩側(cè)邊界設(shè)置為周期性邊界條件，波瓣、中心錐和噴管的固壁面是絕熱無(wú)滑移的固體壁面，其余遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)置為開(kāi)放大氣，壓力為101325 Pa，湍流度為5%。文獻(xiàn)[17]指出，SST模型能比較準(zhǔn)確地模擬波瓣下游中小半徑范圍內(nèi)的流場(chǎng)參數(shù)變化，比和模型的計(jì)算結(jié)果精度更高，因此本文采用SST模型來(lái)封閉雷諾平均的方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

速度比定義為內(nèi)、外涵氣體的軸向速度之比，本文研究的所有工況內(nèi)涵氣流軸向速度均保持不變，速度比的變化通過(guò)改變外涵氣流速度實(shí)現(xiàn)；而進(jìn)口預(yù)旋是指內(nèi)涵進(jìn)口氣流具有周向速度，所有工況外涵進(jìn)口氣流始終保持軸向進(jìn)氣條件。在0°、10°、20°和30°4種內(nèi)涵進(jìn)口預(yù)旋角下分別對(duì)速度比為0.8、2.0和3.0的共12個(gè)工況進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

為了定量描述速度比及進(jìn)口預(yù)旋對(duì)渦系變化和氣流摻混的影響，便于比較各工況下的計(jì)算結(jié)果，采用文獻(xiàn)[18]中提出的一種無(wú)量綱總壓系數(shù)、流向渦系數(shù)和正交渦系數(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，其可靠性得到了驗(yàn)證，其表達(dá)式為

總壓系數(shù)

流向渦量

平面渦量

式中：下標(biāo)0和s分別為總參數(shù)和靜參數(shù)，i為進(jìn)口截面的參數(shù)，、和為柱坐標(biāo)系中的軸向、徑向和周向方向；為氣流軸向速度；為氣流渦量。

流向渦量和平面渦量分別表征流向渦和正交渦的強(qiáng)度，本文所有的渦量均以/（為內(nèi)涵進(jìn)口截面的平均速度）為參考值進(jìn)行了無(wú)量綱處理。

為了定量評(píng)價(jià)波瓣下游的射流摻混情況，定義摻混指數(shù)為

式中：為下游流場(chǎng)中測(cè)量面上任意測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)參數(shù)；、分別為進(jìn)口截面、摻混均勻面相應(yīng)參數(shù)的質(zhì)量平均值。

本文采用總壓系數(shù)作為計(jì)算摻混指數(shù)的參數(shù)。摻混指數(shù)可以表征各截面的射流摻混程度，摻混指數(shù)越小，表示摻混越均勻。

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，對(duì)速度比為1.3的軸向進(jìn)氣工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與文獻(xiàn)[16]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。在0.36和0.72截面的波峰線上，軸向速度系數(shù)C（某點(diǎn)上的軸向速度與內(nèi)涵進(jìn)口速度之比）的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值分布趨勢(shì)一致，且二者的數(shù)值具有較好的吻合度，在圖中所示的2個(gè)截面上，速度系數(shù)偏差大的位置正好對(duì)應(yīng)了正交渦所在區(qū)域（圖中紅圈），這可能與試驗(yàn)測(cè)量使用的7孔探針在波瓣尾跡這樣的高剪切層區(qū)域測(cè)量誤差較大有關(guān)。

圖3 軸向速度的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

噴管出口截面流向渦、正交渦系數(shù)的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確捕捉到了流向渦和正交渦的位置和形狀以及噴管壁面的高平面渦量帶；而在試驗(yàn)中，由于探針無(wú)法靠近噴管壁面，并沒(méi)有測(cè)試到壁面附面層的高渦量區(qū)。從以上分析可知，數(shù)值計(jì)算可以較好地模擬各截面的參數(shù)分布，并有效捕捉平面渦、流向渦等主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展過(guò)程。

圖4 噴管出口截面流向渦、正交渦系數(shù)的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 軸向進(jìn)氣工況下速度比對(duì)波瓣后流場(chǎng)的影響

以軸向進(jìn)氣的不同速度比工況為基準(zhǔn)工況開(kāi)展研究，對(duì)比分析速度比分別為0.8、2.0和3.0時(shí)對(duì)渦系發(fā)展及射流摻混過(guò)程的影響。

2.1.1 渦系結(jié)構(gòu)分析

在速度比為0.8和2.0工況下波瓣混合點(diǎn)下游4個(gè)軸向截面的流向渦量、平面渦量和總壓系數(shù)分布如圖5～7所示。并輔助以截面流線分布，速度比為3.0的工況具有與速度比為2.0工況相似的渦系結(jié)構(gòu)，受篇幅限制沒(méi)有給出。對(duì)于波瓣來(lái)說(shuō)，其皺褶的波峰-波谷結(jié)構(gòu)分別在內(nèi)、外涵誘導(dǎo)出徑向向外和徑向向內(nèi)的二次流，2個(gè)徑向反向的二次流在波瓣出口處相遇后，誘導(dǎo)出1對(duì)方向相反的流向渦帶（圖中0.07截面中紅、藍(lán)色高渦量帶）。對(duì)比不同速度比工況，在速度比為0.8工況下高速外涵氣體誘導(dǎo)出更強(qiáng)的徑向二次流，從而增強(qiáng)了初始流向渦強(qiáng)度，但流向渦在該工況的后續(xù)發(fā)展較為緩慢，直到在0.07與1.45截面之間才在波谷附近發(fā)展出明顯的渦核（S1和S2）。而在速度比為2.0和3.0的2個(gè)工況下，在0.07與0.36截面之間就已經(jīng)發(fā)展出較為清晰的渦核（S3和S4），且渦核均位于波峰附近，徑向尺度遠(yuǎn)大于速度比為0.8工況的。說(shuō)明速度比的增大有利于加速流向渦的發(fā)展，且影響到流向渦核形成的位置。當(dāng)速度比小于1.0時(shí)，波谷附近的外涵流體穿刺并擴(kuò)散到內(nèi)涵流體中，而波峰附近的低速內(nèi)涵流體受高速外涵流體限制，不容易實(shí)現(xiàn)類似的穿刺和擴(kuò)散（圖7中0.36和0.72截面外涵高總壓氣體的“鼻子”狀結(jié)構(gòu)）。正好解釋了速度比小于1.0的工況內(nèi)、外涵流體在波谷附近發(fā)展出流向渦核的原因，但同時(shí)外涵高速氣流約束了波谷附近流向渦的徑向發(fā)展，從而在一定程度上抑制了波峰外圍區(qū)域的摻混。對(duì)于速度比為2.0和3.0的工況，情況則恰恰相反：從圖7中的0.36～1.45截面可見(jiàn)，高速內(nèi)涵氣體在流向渦核的卷吸下從波峰刺入外涵，并且向噴管壁面擴(kuò)散，而在波谷處外涵氣體的擴(kuò)散首先受到限制，這也是這2種工況流向渦形成于波峰位置附近的原因。外涵氣流限制作用的減弱導(dǎo)致流向渦核徑向尺度橫跨整個(gè)波高，流向渦耗散速度更快。最后，對(duì)比2.9截面的總壓系數(shù)分布，隨著速度比的增大，波峰附近殘留的未摻混內(nèi)涵流體范圍越來(lái)越小，說(shuō)明速度比的增大促進(jìn)了波瓣下游的氣體摻混。由上面分析可知，流向渦是波瓣下游流體摻混的主導(dǎo)因素，且隨著速度比增大，增強(qiáng)的流向渦極大地加速了波瓣下游內(nèi)、外涵的射流摻混。

圖5 軸向進(jìn)氣工況下波瓣混合器下游的流向渦量

圖6 軸向進(jìn)氣工況下波瓣混合器下游的正交渦量

圖7 軸向進(jìn)氣工況下波瓣混合器下游的總壓系數(shù)

平面渦量大小是正交渦強(qiáng)弱的表征，從圖6中可見(jiàn)，速度比為0.8和2.0的2種工況下不同軸向截面處的平面渦量分布，由于內(nèi)、外涵間速度差的存在，在0.07截面形成了沿著波瓣尾緣型線分布的正交渦帶（圖中紅色高渦量帶），在下游截面隨著正交渦與流向渦的相互作用下逐漸耗散。速度比對(duì)正交渦發(fā)展的影響還需要圍繞流向渦發(fā)展來(lái)討論。在速度比為0.8工況時(shí)，流向渦核形成于波谷附近，因此對(duì)正交渦的卷吸和擰斷也發(fā)生在這一區(qū)域（0.72截面中T1和T2），受此影響，在波谷附近的正交渦耗散也較快。在外涵約束作用下，流向渦沿徑向向外的擴(kuò)散受限，使得波谷外圍的正交渦受流向渦影響較小，耗散速度較慢；而對(duì)于速度比大于1.0的工況，其流向渦發(fā)展較快，且徑向尺度橫跨整個(gè)波高，因此影響到整個(gè)波高范圍的正交渦的發(fā)展，尤其是極大地加速了波峰處的正交渦耗散（0.72截面中T3和T4）。橫向?qū)Ρ葋?lái)看，速度比的增大加速了流向渦的發(fā)展，也加速了流向渦所主導(dǎo)的正交渦耗散，圖6中各工況相應(yīng)截面上隨速度比增大而降低的殘余平面渦量就是最好的佐證。

2.1.2 對(duì)摻混過(guò)程影響的分析

3種不同速度比的軸向進(jìn)氣工況下波谷子午面上湍動(dòng)能分布如圖8所示。湍動(dòng)能的大小表征射流摻混的強(qiáng)弱程度。子午面上的摻混區(qū)域大概分成3部分：正交渦所主導(dǎo)的NV區(qū)，內(nèi)涵氣體離開(kāi)中心錐后產(chǎn)生的回流區(qū)所主導(dǎo)MZ區(qū)，由流向渦以及流向渦和正交渦間的相互作用引起的強(qiáng)烈摻混區(qū)SV。流向渦是大尺度渦，主導(dǎo)著波瓣中氣體摻混過(guò)程的發(fā)展。對(duì)比3種工況，速度比為3.0時(shí)高湍動(dòng)能SV區(qū)最早出現(xiàn)，并且擁有3種工況中最大范圍、最強(qiáng)湍動(dòng)能的SV區(qū)。這是因?yàn)樗俣缺仍酱罅飨驕u的發(fā)展速率越快，流向渦對(duì)相互作用增強(qiáng)，提高了SV區(qū)的摻混強(qiáng)度；同時(shí)，流向渦的出現(xiàn)拉伸了正交渦，也加速了正交渦的破碎過(guò)程。從圖中可見(jiàn)，NV區(qū)的湍動(dòng)能在SV區(qū)出現(xiàn)后開(kāi)始逐漸減少。綜上所述，不斷增加的速度比增強(qiáng)了流向渦和正交渦的強(qiáng)度以及二者之間的相互作用，促進(jìn)了流體之間的摻混。

圖8 軸向進(jìn)氣工況下波谷子午面上湍動(dòng)能分布

在軸向進(jìn)氣條件下波瓣混合器下游各截面總壓摻混指數(shù)的軸向分布及其隨速度比的變化如圖9所示?？倝簱交熘笖?shù)越小，表示摻混程度越均勻，而其沿軸向的遞減速率可在一定程度上表征摻混速度的大小。從圖中可見(jiàn)，在波瓣出口截面，隨著速度比的增大，內(nèi)、外涵的不均勻性不斷增強(qiáng)，故而其總壓摻混指數(shù)值也不斷增大；而在其下游截面，隨著速度比增大，總壓摻混指數(shù)的衰減速率顯著增大，在波瓣下游1.5截面附近，速度比為2.0和3.0的2種工況總壓摻混指數(shù)值都小于速度比為0.8工況的，進(jìn)一步佐證了上文結(jié)論，即速度比增大有利于加速射流摻混。在噴管出口截面（=2.9）處，總壓摻混指數(shù)隨速度比增大而減小，說(shuō)明速度比大的工況，在噴管出口截面摻混得更加均勻。

圖9 不同速度比下?lián)交熘笖?shù)軸向分布

2.2 進(jìn)口預(yù)旋工況下速度比對(duì)波瓣后流場(chǎng)的影響

2.2.1 渦系結(jié)構(gòu)分析

為了綜合分析速度比和進(jìn)口預(yù)旋的耦合作用對(duì)波瓣下游流場(chǎng)渦系發(fā)展的影響，在所有工況下波瓣混合器下游0.07和0.36軸向截面的流向渦量和平面渦量的分布如圖10、11所示。根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]，內(nèi)涵預(yù)旋氣流進(jìn)入波瓣后，在機(jī)匣附近的進(jìn)口預(yù)旋受波瓣自身消旋作用影響，其周向氣流角急劇減小，但在波谷和中心錐之間的間隙中依然存在1股泄漏旋流，是影響預(yù)旋工況下渦系發(fā)展過(guò)程的主要因素之一。

圖10 不同進(jìn)口預(yù)旋角和速度比工況下0.07Dh截面的流向渦量和平面渦量的分布

軸向進(jìn)氣工況下，波瓣出口截面存在一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的流向渦帶LV（左支藍(lán)色順時(shí)針渦量區(qū)域）和RV（右支紅色逆時(shí)針渦量區(qū)域），如圖10（a）所示。在進(jìn)口預(yù)旋條件下，波瓣表面滯止線遷移至壓力面一側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致波瓣下游流向渦右支延伸到壓力面一側(cè)（圖10（a）中0.07截面中RV），并且RV隨著進(jìn)口預(yù)旋角的增大進(jìn)一步向壓力面延伸。該截面中最大渦量值及流向渦量帶范圍顯示，吸力面?zhèn)攘飨驕u量隨著進(jìn)口預(yù)旋角和速度比的增大而增大，在出口截面形成尺度和強(qiáng)度更大的逆時(shí)針流向渦核B；而壓力面?zhèn)鹊捻槙r(shí)針渦量帶LV范圍隨進(jìn)口預(yù)旋增強(qiáng)而減小，其渦核的形成時(shí)間也推遲。說(shuō)明進(jìn)口預(yù)旋有利于增強(qiáng)與其旋轉(zhuǎn)方向相同的流向渦，而對(duì)反向流向渦有一定的抑制作用。其原因如下：受到波瓣大曲率幾何的影響，泄漏旋流在繞行波谷的過(guò)程中極易在吸力面一側(cè)出現(xiàn)流動(dòng)分離或低動(dòng)量區(qū)，如圖10（b）中分離渦量帶T2就是分離泡或低動(dòng)量區(qū)形成的自由剪切層，這一自由剪切層的旋轉(zhuǎn)方向與RV的旋轉(zhuǎn)方向相同，因此加強(qiáng)了RV和同側(cè)流向渦核B，隨著進(jìn)口預(yù)旋角和速度比的增大流向渦核B的強(qiáng)度不斷增大，T1和T2在渦核B的卷吸下逐漸被擰斷。

圖11 不同進(jìn)口預(yù)旋角和速度比工況0.36Dh截面的流向渦量和平面渦量的分布

在波瓣下游的發(fā)展過(guò)程中，內(nèi)涵的旋流裹挾外涵的氣體發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)外涵氣體在二次流的作用下在波谷附近向斜下方穿刺進(jìn)（圖11（b）中0.36截面中標(biāo)示的箭頭）內(nèi)涵，與內(nèi)涵旋流相遇并發(fā)生了強(qiáng)烈摻混。相比軸向進(jìn)氣條件下僅靠流向渦加速摻混，這種現(xiàn)象大大加速了波谷附近的摻混。通過(guò)對(duì)比所有工況下外涵周向運(yùn)動(dòng)的情況可見(jiàn)，單獨(dú)增大進(jìn)口預(yù)旋角可以增大周向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，一定程度上也擴(kuò)大了其影響范圍；單獨(dú)增大速度比減弱了外涵氣流的限制作用，擴(kuò)大旋流的作用范圍，但對(duì)周向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度并沒(méi)有太大影響；同時(shí)增大進(jìn)口預(yù)旋角和速度比可以有效地增大周向運(yùn)動(dòng)地強(qiáng)度和作用范圍，進(jìn)而影響渦系的發(fā)展。對(duì)比流向渦的云圖可見(jiàn)，在速度比為0.8工況下，改變進(jìn)口預(yù)旋并不能明顯改變0.36截面流向渦帶的大小，始終保持與波高相近的尺度；在大速度比工況下，隨進(jìn)口預(yù)旋角的增大，如圖11（a）所示的流向渦核B的強(qiáng)度和最大渦量值越來(lái)越大，而且圖11（b）中外涵流體周向運(yùn)動(dòng)的范圍也越來(lái)越大。這是由于當(dāng)速度比較小時(shí)，受到高速外涵的徑向約束，流向渦特征尺度的發(fā)展受到制約，流向渦的耗散速度也受到限制，僅在小半徑處受到旋流的作用發(fā)生了拉伸；隨著速度比的增大，外涵流體的約束減弱，進(jìn)口預(yù)旋導(dǎo)致的泄漏旋流開(kāi)始迅速發(fā)展，加速了小半徑范圍內(nèi)的流向渦耗散速度，同時(shí)繞流波谷增大了流向渦的強(qiáng)度。

在大速度比工況下，旋流一方面拉扯著作用范圍內(nèi)的流向渦和平面渦量帶發(fā)生周向拉伸，另一方面推擠著作用范圍外的殘余渦量帶和流向渦核B沿徑向向外移動(dòng)（這種現(xiàn)象可在流向渦的軸向分布中觀察到，但受篇幅所限并未給出），在泄漏旋流周向拉伸和徑向推擠共同作用下，右支的流向渦帶RV呈現(xiàn)出斷裂的趨勢(shì)，隨著進(jìn)口預(yù)旋角和速度比的增大，RV逐漸在0.36截面完全斷裂成2部分RV1和RV2，甚至在大速度比大預(yù)旋角工況下，流向渦核B也被拉扯分裂為2個(gè)（B1和B2）。這種現(xiàn)象也說(shuō)明，速度比的增大有利于擴(kuò)大進(jìn)口預(yù)旋的作用范圍，從而促進(jìn)內(nèi)、外涵氣體間的摻混。

2.2.2 對(duì)摻混過(guò)程影響的分析

在進(jìn)口預(yù)旋工況下，泄漏旋流在漸縮中心錐作用下不斷加速，在中心錐下游形成回流區(qū)，在10°和30°進(jìn)口預(yù)旋角下速度比為0.8和3.0時(shí)波谷子午面上的湍動(dòng)能分布如圖12所示。在圖下方給出了放大的中心錐后區(qū)域的速度矢量，標(biāo)注出回流區(qū)域的邊界和長(zhǎng)度。

隨著速度比的增大，在流向渦主導(dǎo)的摻混區(qū)SV的形成越發(fā)靠近上游，說(shuō)明流向渦相互作用引起的耗散過(guò)程提前發(fā)生，有利于加速射流摻混；同時(shí)，SV區(qū)的徑向位置也向外移動(dòng)，這種現(xiàn)象與上文中速度比增大導(dǎo)致高速外涵氣體對(duì)流向渦發(fā)展的限制作用減小的結(jié)論相呼應(yīng)。另外，在SV區(qū)下方存在正交渦主導(dǎo)摻混區(qū)NV，其徑向位置也隨著速度比的增大向外移動(dòng)，除了受到流向渦的影響之外，還因?yàn)樗俣缺鹊脑龃髷U(kuò)大了泄漏旋流的影響范圍，從而剪切層的位置也沿著徑向向外移動(dòng)。對(duì)比計(jì)算域出口附近的湍動(dòng)能分布可見(jiàn)，大速度比大預(yù)旋工況的湍動(dòng)能更早地?fù)交炀鶆颉?/p>

圖12 不同進(jìn)口預(yù)旋角和速度比工況下波谷子午面湍動(dòng)能分布

綜合對(duì)進(jìn)口預(yù)旋和速度比2部分的分析，可以總結(jié)出進(jìn)口預(yù)旋和速度比的耦合作用對(duì)波瓣下游流場(chǎng)的影響如下：進(jìn)口預(yù)旋的存在使得內(nèi)涵氣體裹挾外涵氣體發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)，拉伸了流向渦和正交渦帶，同時(shí)也加強(qiáng)了與進(jìn)口預(yù)旋同方向的流向渦；而速度比的增大減弱了外涵氣體對(duì)于內(nèi)涵的限制作用，既促進(jìn)了流向渦的發(fā)展以及流向渦和正交渦之間的相互作用，也擴(kuò)大了進(jìn)口預(yù)旋引起泄漏旋流的作用范圍，從而進(jìn)一步促進(jìn)了內(nèi)、外涵氣流之間的摻混。

在速度比為0.8和3.0時(shí)不同預(yù)旋角下總壓摻混指數(shù)沿著軸向的分布如圖13所示。從圖13（a）中可見(jiàn)，在速度比為0.8時(shí)，不同預(yù)旋角工況下波瓣出口截面的摻混指數(shù)幾乎相等，各工況下的摻混指數(shù)降低曲線趨勢(shì)也基本接近，結(jié)合上文中對(duì)流向渦的分析，雖然在0.07截面流向渦核B隨著進(jìn)口預(yù)旋角的增大而變強(qiáng)，但對(duì)內(nèi)、外涵之間的摻混的影響并未產(chǎn)生明顯差異。這是因?yàn)樗俣缺葹?.8的工況摻混過(guò)程主要受外涵主導(dǎo)的流向渦影響，而預(yù)旋對(duì)外涵流體的影響并不算大，故此射流摻混的過(guò)程受旋流影響也較小。但預(yù)旋對(duì)射流摻混還是有影響的，隨著進(jìn)口預(yù)旋角的增大，摻混指數(shù)降低的梯度也不斷增大，出口截面上總壓摻混指數(shù)值隨著預(yù)旋的增強(qiáng)而減小。意味著摻混過(guò)程隨預(yù)旋增強(qiáng)而加劇，出口截面摻混也越均勻。

圖13 不同速度比下?lián)交熘笖?shù)的軸向分布隨進(jìn)口預(yù)旋角變化

在速度比為3.0的工況射流摻混過(guò)程主要受內(nèi)涵影響下的大尺度流向渦主導(dǎo)，故而受預(yù)旋影響較大。在波瓣出口截面下游射流摻混指數(shù)值隨預(yù)旋的增強(qiáng)而減小，說(shuō)明預(yù)旋角越大，波瓣出口下游就已經(jīng)有較好的摻混均勻度。到1.5截面時(shí)，流向渦耗散殆盡，其主導(dǎo)的摻混基本完成，此時(shí)大預(yù)旋工況下的摻混指數(shù)較小，說(shuō)明摻混得更加均勻。但在1.5截面下游，在預(yù)旋角小于10°的工況下，其殘余的流向渦繼續(xù)促進(jìn)摻混，而在20°和30°工況下幾乎沒(méi)有殘余流向渦存在，但其誘導(dǎo)的中心錐下游回流區(qū)的發(fā)展使得其摻混均勻度反而不如低預(yù)旋工況下的，故而其在2.9截面時(shí)的總壓摻混指數(shù)更大。對(duì)比圖13（a）和（b）可知，在不同速度比工況下，射流摻混受預(yù)旋的影響也不一樣，在2.9截面的總壓摻混指數(shù)值，速度比為3.0的工況小于速度比為0.8的工況，且其整體總壓摻混指數(shù)減小梯度也大于小速度比工況下的，說(shuō)明內(nèi)涵進(jìn)口預(yù)旋對(duì)大速度比工況的影響較大，且有利于加速射流摻混。

速度比的變化極大地影響波瓣混合器的摻混流場(chǎng)，從而影響波瓣噴管的總體性能，通過(guò)衡量總壓和推力2個(gè)性能參數(shù)，以及速度比和進(jìn)口預(yù)旋之間的關(guān)系，可以定量了解速度比和進(jìn)口預(yù)旋對(duì)波瓣噴管總體性能的影響。

總壓損失系數(shù)定義為波瓣噴管進(jìn)口和出口截面平均總壓系數(shù)之差?？倝合禂?shù)隨進(jìn)口預(yù)旋角的分布曲線如圖14所示。從圖中可見(jiàn)，總壓損失與速度比和進(jìn)口預(yù)旋角均呈正相關(guān)關(guān)系。小速度比工況下雖然總壓損失整體偏小，但是隨著進(jìn)口預(yù)旋角從0°增大到30°，總壓損失系數(shù)增大了0.1；而在大速度比工況下總壓損失系數(shù)只增大了0.05。說(shuō)明在小速度比工況下總壓損失受到進(jìn)口預(yù)旋變化的影響更大。

圖14 總壓系數(shù)隨進(jìn)口預(yù)旋角的分布

在不同速度比下噴管的推力損失系數(shù)隨預(yù)旋角的變化曲線如圖15所示。本文中研究的推力是靜態(tài)推力，定義為

式中：為噴管出口的推力；和分別為軸向速度和靜壓，下標(biāo)exit和atm分別表示噴管出口和周圍大氣的相關(guān)參數(shù)；為以內(nèi)涵進(jìn)口平均速度和波瓣尾緣內(nèi)涵水力直徑無(wú)量綱化之后的推力。

為便于比較不同速度比下的情況，以各速度比下的軸向進(jìn)氣工況為參考狀態(tài)，定義推力損失系數(shù)為

式中：為進(jìn)口預(yù)旋為0°時(shí)的無(wú)量綱推力。

推力損失系數(shù)直觀地表現(xiàn)了進(jìn)口預(yù)旋角和速度比對(duì)波瓣噴管推力的綜合影響。從圖15中可見(jiàn)，速度比一定時(shí)推力損失系數(shù)隨預(yù)旋角的增大而增大，并且速度比越大推力損失的變化量越大。在速度比為0.8工況下進(jìn)口預(yù)旋角從0°增大到30°推力損失為4.6%，而在速度比為3.0工況下推力損失高達(dá)17.5%。

圖15 推力損失系數(shù)隨進(jìn)口預(yù)旋角變化

3 結(jié)論

（1）速度比通過(guò)影響外涵氣流對(duì)渦系徑向發(fā)展的限制作用來(lái)改變內(nèi)、外涵氣流摻混的過(guò)程：在小速度比工況下，高速外涵氣流限制了在波谷附近形成的流向渦沿徑向向外的發(fā)展，在一定程度上減慢了摻混過(guò)程，而在大速度比下的情況正好相反；

（2）在進(jìn)口預(yù)旋工況下，速度比的增大不僅有利于流向渦提前形成，還會(huì)增加波瓣與中心錐之間泄漏旋流的徑向裹挾范圍，二者都會(huì)增大渦系相互作用及作用范圍，加速了渦系的破碎和耗散過(guò)程，增強(qiáng)了射流摻混；

（3）隨著速度比的增大，流向渦和正交渦主導(dǎo)的摻混區(qū)都有沿徑向向外移動(dòng)的趨勢(shì)，在小速度比工況下的摻混均勻程度不如大速度比工況下的；

（4）速度比和進(jìn)口預(yù)旋角的增大增強(qiáng)了流向渦和正交渦系，有利于氣體摻混，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的總壓和推力的損失：在小速度比工況下進(jìn)口預(yù)旋角從0°增大到30°時(shí)總壓損失系數(shù)增大了0.1，推力損失4.6%，在大速度比工況下總壓損失系數(shù)增大了0.05，推力損失17.5%。為優(yōu)化噴管的總體性能，需要綜合考慮促進(jìn)摻混和推力損失與總壓損失增大二者之間的平衡關(guān)系。