【摘要】：波瓣混合器在航空發(fā)動機增加推力、降低油耗、抑制排氣噪聲與紅外輻射等方面展現(xiàn)出了諸多的優(yōu)勢,因此被廣泛應用于中小涵道比渦扇發(fā)動機混合排氣系統(tǒng)。長期以來,學者致力于軸向進氣時波瓣混合器加速內(nèi)外涵摻混的機理研究。然而,發(fā)動機推重比的提高要求低壓渦輪的負荷增大,對于使用高負荷低壓渦輪的高性能發(fā)動機,波瓣混合排氣系統(tǒng)的內(nèi)涵進口氣流存在預旋,該進口預旋會顯著削弱波瓣混合排氣系統(tǒng)性能,進而影響發(fā)動機性能。雖然也有學者對來流預旋條件下波瓣混合器機理及性能變化進行了研究,但通過改變波瓣混合器結(jié)構(gòu)來適應來流預旋的研究卻鮮有報道。本文以某發(fā)動機波瓣混合器排氣系統(tǒng)的縮比模型為研究對象,提出了基于葉片造型理論的消旋波瓣混合器設計方法。并以中科院工程熱物理研究所的低速同心雙環(huán)流風洞試驗臺為依托,借助七孔探針和熱線風速儀等測量手段,輔之以數(shù)值計算方法,對基準波瓣和消旋波瓣進行了細致地研究。在理清基準波瓣摻混機理的基礎上,深入探討了消旋波瓣幾何參數(shù)及來流預旋角變化對消旋波瓣摻混機理的影響,對比分析了消旋波瓣與基準波瓣摻混機理的變異機制,并進一步探索了切凹扇處理對兩種波瓣摻混機理及其性能的影響。主要研究結(jié)論如下:對基準波瓣混合器的研究表明,波瓣的特殊交變褶皺結(jié)構(gòu)誘導形成大尺度的流向渦,并在波瓣下游流場中形成與波瓣尾緣截面形狀一致的正交渦環(huán),流向渦與正交渦環(huán)的相互作用以及渦系自身的破碎共同支配著內(nèi)外涵兩股流體的摻混。在進口預旋條件下,中心錐與波谷之間形成的泄漏流加速了波谷附近內(nèi)外涵兩股流體的摻混,但也極大的削弱了波瓣混合排氣系統(tǒng)的性能;波瓣內(nèi)表面背風面形成具有大面積低壓區(qū)的吸力面,吸力面附近內(nèi)涵流體的流動狀態(tài)惡化。對兩種波瓣的對比研究表明,在進口預旋工況下,消旋波瓣調(diào)整吸力面?zhèn)褥o壓分布,改善了吸力面附近內(nèi)涵流體的流動,但對波谷與中心錐之間泄漏旋流強度的影響較小。消旋波瓣的彎角決定了波瓣的載荷和整流能力,消旋波瓣的幾何出口角決定了波瓣尾緣截面中徑處氣流的周向角度。波瓣尾緣截面周向氣流角的分布決定了波瓣下游流向渦的形成與發(fā)展,波瓣中徑處具有較大氣流角的周向旋流抑制了波峰處順時針流向渦的形成、促進了波峰處逆時針流向渦的形成,消旋波瓣增加了波瓣吸力面附近流體的徑向靜壓梯度,一定程度上增加波峰處順時針流向渦的強度。另外消旋波瓣也通過改變順、逆時針流向渦核的相對位置,增加了對正交渦環(huán)的拉伸從而加速了兩股流體的摻混。在多個進口預旋工況下,消旋波瓣均改善波瓣吸力面附近流體的流動,其總壓損失以及推力性能均優(yōu)于基準波瓣。切凹扇波瓣的內(nèi)外涵兩股流體在凹扇型缺口內(nèi)開始相互作用,提前引入了流向渦、增加了內(nèi)外涵流體的摻混。進口預旋抑制了切凹扇基準波瓣吸力面凹扇型缺口下段附近內(nèi)涵流體向外涵的刺入作用,而切凹扇消旋波瓣則減小了該抑制作用。切凹扇處理均會在下游流場凹扇型下切痕附近形成附加流向渦對,導致波瓣的整流能力下降,而消旋波瓣整流能力的下降程度大于基準波瓣,同樣的切凹扇形狀導致兩波瓣尾緣截面不同的氣流角分布,切凹扇消旋波瓣附加流向渦的強度大于切凹扇基準波瓣。在高進口預旋工況下,對波瓣進行切凹扇處理會減小波瓣輸出推力,但切凹扇消旋波瓣的推力依然大于切凹扇基準波瓣。
【圖文】：

逑溫、}榞逡逑圖ｌ．ｉ波瓣混合器二維示意圖１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ丨？丨逡逑１９６６年，Ｆｒｏｓｔ首次成功地將波瓣混合器應用到Ｓｐｅｙ和Ｃｏｎｗａｙ縮微模型逡逑發(fā)動機排氣系統(tǒng)上，極大地提高了推重比、減少耗油率、降低了噪聲［１７］。隨后，逡逑波瓣混合器在很多渦扇發(fā)動機上都取得很好的應用效果，如ＣＦＭ５６－５Ｃ、逡逑ＰＷ６０００、Ｔｍｎｔ７００等。近年，波瓣混合器也被應用到國內(nèi)自主研制的航空發(fā)動逡逑機排氣系統(tǒng)上，如中國科學院工程熱物理研究所在研的某小涵道比渦扇發(fā)動機逡逑（圖１．２）也采用了波瓣混合排氣系統(tǒng)。逡逑圖１．２中科院工程熱物理研宄所在研的某小型渦扇發(fā)動機逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｍｉｎｉ－ｔｙｐｅ邋ｔｕｒｂｏｆａｎ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋ＩＥＴ邋ＣＡＳ逡逑波瓣混合器在中小涵道比航空發(fā)動機上己有著廣泛的應用，但其摻混機理逡逑還有待進一步明確，波瓣混合器的結(jié)構(gòu)形式還有待進一步優(yōu)化，波瓣混合器與逡逑排氣系統(tǒng)其他部件及其上游部件的配合形式還有待進一步優(yōu)化探宄。綜上所述

邐°９逡逑桘泰逡逑笤中ａ魏ｈ邐？＇‘：．’逡逑圖１．３波瓣混合器主要參數(shù)示意圖１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ１５１逡逑１．４瓣混合器摻混機理研究逡逑上述研宄的目的主要是為了建立波瓣幾何、氣動參數(shù)對波瓣混合排氣系統(tǒng)逡逑總體性能影響的數(shù)據(jù)庫，以優(yōu)化波瓣混合器的設計，但其研宄側(cè)重于實際工程逡逑應用，對波瓣加速射流摻混機理的研宄不夠深入，關(guān)于波瓣混合器摻混機理的逡逑研究主要在于下游渦系（圖１．４）的發(fā)現(xiàn)與相互作用過程研究。逡逑１９７８年，Ｂｉｒｃｈ等［２６］首次使用數(shù)值模擬方法對波瓣混合器流場進行了計算，逡逑但卻沒有細致的分析波瓣下游流場結(jié)構(gòu)。在接下來的幾年里學者們對波瓣下游逡逑流場結(jié)構(gòu)以及摻混機理進行了細致研究，，Ｐｏｖｉｎｅｌｌｉ＆ＡｎｄｅｒｓｃＷ２７１使用數(shù)值和試驗逡逑方法在波瓣混合器下游發(fā)現(xiàn)了二次流結(jié)構(gòu)，指出由波瓣交變結(jié)構(gòu)引起的二次流逡逑進而誘導形成的流向渦加速了射流的摻混，該流向渦決定了噴管出口截面的溫逡逑度分布。隨著測試技術(shù)的進步，Ｐａｔｅｒｓｏｎ和Ｗｅｒｌｄ２８１利用ＬＤＶ測量了波瓣下游逡逑射流流場
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V235.13

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 劉友宏;杜力偉;謝翌;邵萬仁;吳飛;;波瓣凹扇修形對波瓣強迫混合排氣系統(tǒng)性能影響[J];科學技術(shù)與工程;2013年18期

2 劉友宏;張少鵬;楊旭;謝翌;邵萬仁;吳飛;;波瓣尾緣切角對渦扇發(fā)動機混合排氣系統(tǒng)氣動熱力性能影響[J];推進技術(shù);2013年06期

3 謝翌;劉友宏;;波瓣穿透率對波瓣混合排氣系統(tǒng)性能影響[J];推進技術(shù);2011年02期

4 單勇;張靖周;;波瓣噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射混合器性能影響的數(shù)值研究[J];航空動力學報;2005年06期

5 單勇,張靖周;波瓣噴管引射-混合器渦結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究[J];空氣動力學學報;2005年03期

6 陳光;航空發(fā)動機發(fā)展綜述[J];航空制造技術(shù);2000年06期

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1 吳飛;邵萬仁;王殿磊;石巖;鞏亞南;;混合排氣式噴管噴流噪聲預測研究[A];探索 創(chuàng)新 交流（第7集）——第七屆中國航空學會青年科技論壇文集（上冊）[C];2016年

2 邵萬仁;何敬玉;吳飛;李曉東;;二次混合噴流降噪技術(shù)實驗研究[A];2015年第二屆中國航空科學技術(shù)大會論文集[C];2015年

本文編號：2594805