【摘要】：隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展,能源需求與環(huán)境污染問題日益突出。能源的高效清潔利用成為必然選擇,燃料與空氣的快速混合直接影響著燃燒效率、污染物排放等指標。另一方面,我國民用航空發(fā)動機發(fā)展滯后,嚴重制約民用航空工業(yè)的發(fā)展。突破航空發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,打破國際壟斷,有助于提升我國科技創(chuàng)新能力和綜合國力。而發(fā)動機降噪技術(shù)便是先進航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一,發(fā)動機尾流與空氣的快速混合可以有效降低發(fā)動機尾流噪聲。因此,射流混合問題是高效清潔燃燒和發(fā)動機降噪技術(shù)等應(yīng)用涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題之一,理解射流混合機理,開展射流控制研究對節(jié)能環(huán)保和高端裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)突破至關(guān)重要。在射流混合控制方面,非穩(wěn)定微射流技術(shù)具有諸多優(yōu)點,包括較小的推力損失、較寬的頻率范圍和擾動幅值范圍等。然而,對該方面的研究還不夠系統(tǒng)完善,尤其是實驗研究較少,使得微射流與主射流的相互作用及其控制機理還不清晰。為此,本文對基于非穩(wěn)定微射流的射流主動控制進行了深入的實驗研究。其中6支非穩(wěn)定微射流周向均勻分布于主射流出口上游。實驗中主射流出口雷諾數(shù)為8000。微射流控制參數(shù)包括微射流與主射流的質(zhì)量流率比、微射流脈沖頻率與主射流首選模式頻率的比值、微射流的支數(shù)以及布置方式。利用熱線測速技術(shù)和粒子圖像測速儀(PIV)技術(shù)等先進的流體測量手段對非穩(wěn)定微射流控制和未控制下的主射流流場進行詳細測量,以獲得準確的速度場、渦量場以及旋渦結(jié)構(gòu)的可視化等�；诖罅繉嶒灁�(shù)據(jù),詳細對比分析微射流控制下主射流大尺度擬序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展過程,進而對非穩(wěn)定微射流的控制機理展開了深入的探討。在非穩(wěn)定微射流的作用下,主射流中軸線上的速度衰減率得到了顯著的提高,而且微射流的激勵頻率、質(zhì)量流率、支數(shù)以及布置方式對主射流衰減率有顯著的影響。首先,微射流的最佳激勵頻率與主射流的首選模式頻率相等,在此頻率下,主射流大尺度擬序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和配對得到增強,從而加強了射流的卷吸作用并由此加快射流衰減。其次,微射流與主射流的質(zhì)量流率比嚴重影響著主射流衰減率。在小質(zhì)量流率比時,主射流的衰減率和微射流的有效穿透度相關(guān),穿透度最大時,衰減率最大。此時,微射流起到激發(fā)射流不穩(wěn)定性的作用,使得大尺度結(jié)構(gòu)所引起的卷吸作用被極大的增強,進而提高了主射流的衰減率。在大質(zhì)量流率比時,微射流間相互碰撞或微射流與噴嘴內(nèi)壁面的碰撞產(chǎn)生了湍流,這種湍流對主射流衰減率的增加起主要作用。最后,微射流的支數(shù)與布置方式對主射流的衰減率有很大的影響。當(dāng)采用兩支夾角為60°的微射流且激勵頻率與主射流的首選模式頻率相等、微射流與主射流的質(zhì)量流率比為2%時,主射流的衰減率最大,達到了未加控制時的11.8倍。本文揭示了非穩(wěn)定微射流的三種控制機理:首先,當(dāng)采用一支微射流以及兩支非對稱布置的微射流(夾角為60°或120°)時,主射流呈現(xiàn)出傾斜的渦環(huán)和交錯排列的旋渦配對,并由此誘導(dǎo)而產(chǎn)生射流振蕩的現(xiàn)象。其中夾角為60°時,呈現(xiàn)出完全振蕩的射流,在同一流向位置,射流兩側(cè)的流向脈動速度完全反向,相位差為180°。在非對稱擾動下所產(chǎn)生的射流振蕩運動能夠顯著增加振蕩方向上的射流擴散,由此導(dǎo)致射流衰減率的增加。其次,當(dāng)采用兩支對稱布置(夾角為180°)以及多支(3-5)微射流時,主射流的流動結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維特性,包括扭曲變形的渦環(huán)、周向固定的反向旋轉(zhuǎn)流向渦對以及不斷向外生長出的蘑菇狀流向渦。這三種結(jié)構(gòu)的相互作用導(dǎo)致了主射流的快速衰減。最后,當(dāng)采用六支微射流時,剪切層沿整個圓周發(fā)生上卷,產(chǎn)生不光滑的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的快速生長及其三維發(fā)展使得射流在整個圓周方向上都發(fā)生快速卷吸和擴散,從而導(dǎo)致射流衰減率的增加。此外,流動可視化結(jié)果還表明微射流的支數(shù)N對主射流擴散有很大的影響。當(dāng)N=1時,射流沿著入射平面擴散;當(dāng)N=2~5時,射流沿著非入射半平面擴散,出現(xiàn)分支的現(xiàn)象。分支的數(shù)目隨著N而變化:N=1或2時,形成兩個分支;N=3時,形成3個分支;N=4時,形成2個分支;N=5時,僅形成一個分支;N=6時,沒有明顯的分支產(chǎn)生。這種現(xiàn)象和周向固定反向旋轉(zhuǎn)流向渦對的數(shù)目有很大關(guān)聯(lián)。每個反向旋轉(zhuǎn)的流向渦對會對位于其中間的流體產(chǎn)生一個向外的誘導(dǎo)作用,誘使流體沿該方向向外擴散,最終形成一個分支。總而來說,本文圍繞基于非穩(wěn)定微射流的射流主動控制技術(shù)進行了深入的實驗研究。針對微射流的激勵頻率、入射質(zhì)量流率比、支數(shù)及布置方式對主射流流動特性的影響展開了詳細的實驗研究。研究了非穩(wěn)定微射流與主射流的相互作用,闡述了非穩(wěn)定微射流參數(shù)對主射流流動結(jié)構(gòu)的影響,揭示了非穩(wěn)定微射流的三種控制機理,提出了非穩(wěn)定微射流作用下主射流的流動結(jié)構(gòu)模型。從而進一步完善了非穩(wěn)定微射流技術(shù)的相關(guān)理論,為相關(guān)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O358

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本文編號：2396007