【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(biāo)。另一方面,我國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展滯后,嚴(yán)重制約民用航空工業(yè)的發(fā)展。突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,打破國(guó)際壟斷,有助于提升我國(guó)科技創(chuàng)新能力和綜合國(guó)力。而發(fā)動(dòng)機(jī)降噪技術(shù)便是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,發(fā)動(dòng)機(jī)尾流與空氣的快速混合可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾流噪聲。因此,射流混合問題是高效清潔燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)理,開展射流控制研究對(duì)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(diǎn),包括較小的推力損失、較寬的頻率范圍和擾動(dòng)幅值范圍等。然而,對(duì)該方面的研究還不夠系統(tǒng)完善,尤其是實(shí)驗(yàn)研究較少,使得微射流與主射流的相互作用及其控制機(jī)理還不清晰。為此,本文對(duì)基于非穩(wěn)定微射流的射流主動(dòng)控制進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)速技術(shù)和粒子圖像測(cè)速儀(PIV)技術(shù)等先進(jìn)的流體測(cè)量手段對(duì)非穩(wěn)定微射流控制和未控制下的主射流流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,以獲得準(zhǔn)確的速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)以及旋渦結(jié)構(gòu)的可視化等�；诖罅繉�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),詳細(xì)對(duì)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(jìn)而對(duì)非穩(wěn)定微射流的控制機(jī)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(lì)頻率、質(zhì)量流率、支數(shù)以及布置方式對(duì)主射流衰減率有顯著的影響。首先,微射流的最佳激勵(lì)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(duì)得到增強(qiáng),從而加強(qiáng)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(yán)重影響著主射流衰減率。在小質(zhì)量流率比時(shí),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(shí),衰減率最大。此時(shí),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(qiáng),進(jìn)而提高了主射流的衰減率。在大質(zhì)量流率比時(shí),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(duì)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(duì)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(lì)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(shí),主射流的衰減率最大,達(dá)到了未加控制時(shí)的11.8倍。本文揭示了非穩(wěn)定微射流的三種控制機(jī)理:首先,當(dāng)采用一支微射流以及兩支非對(duì)稱布置的微射流(夾角為60°或120°)時(shí),主射流呈現(xiàn)出傾斜的渦環(huán)和交錯(cuò)排列的旋渦配對(duì),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(shí),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(dòng)速度完全反向,相位差為180°。在非對(duì)稱擾動(dòng)下所產(chǎn)生的射流振蕩運(yùn)動(dòng)能夠顯著增加振蕩方向上的射流擴(kuò)散,由此導(dǎo)致射流衰減率的增加。其次,當(dāng)采用兩支對(duì)稱布置(夾角為180°)以及多支(3-5)微射流時(shí),主射流的流動(dòng)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(duì)以及不斷向外生長(zhǎng)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(shí),剪切層沿整個(gè)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(zhǎng)及其三維發(fā)展使得射流在整個(gè)圓周方向上都發(fā)生快速卷吸和擴(kuò)散,從而導(dǎo)致射流衰減率的增加。此外,流動(dòng)可視化結(jié)果還表明微射流的支數(shù)N對(duì)主射流擴(kuò)散有很大的影響。當(dāng)N=1時(shí),射流沿著入射平面擴(kuò)散;當(dāng)N=2~5時(shí),射流沿著非入射半平面擴(kuò)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(shí),形成兩個(gè)分支;N=3時(shí),形成3個(gè)分支;N=4時(shí),形成2個(gè)分支;N=5時(shí),僅形成一個(gè)分支;N=6時(shí),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(duì)的數(shù)目有很大關(guān)聯(lián)。每個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦對(duì)會(huì)對(duì)位于其中間的流體產(chǎn)生一個(gè)向外的誘導(dǎo)作用,誘使流體沿該方向向外擴(kuò)散,最終形成一個(gè)分支�？偠鴣碚f,本文圍繞基于非穩(wěn)定微射流的射流主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)微射流的激勵(lì)頻率、入射質(zhì)量流率比、支數(shù)及布置方式對(duì)主射流流動(dòng)特性的影響展開了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)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(duì)主射流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響,揭示了非穩(wěn)定微射流的三種控制機(jī)理,提出了非穩(wěn)定微射流作用下主射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)模型。從而進(jìn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O358

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本文編號(hào)：2396007