二維縮比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器中旋渦運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

陳曉龍 ,何國強(qiáng) ,劉佩進(jìn),肖 波,岳 赟

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安 710072)

0 引 言

引起固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的因素眾多,當(dāng)旋渦的脫落頻率與燃燒室聲腔的某階固有頻率相等時(shí),將引起共振從而產(chǎn)生壓強(qiáng)振蕩,是引起燃燒不穩(wěn)定的原因之一,稱之為聲-渦耦合機(jī)理[1]。然而旋渦本身是一種四極子聲源,其與聲場(chǎng)之間的耦合作用很弱[2]。但渦撞擊下游障礙物時(shí),卻很容易引起共振。研究表明聲/渦耦合機(jī)理涉及到旋渦的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播及其撞擊下游壁面等過程[3]。為了提高對(duì)上述機(jī)理的認(rèn)識(shí)和理解,研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中旋渦運(yùn)動(dòng)便顯得非常必要和重要[4],此外,實(shí)際流體總是有旋的。旋渦空間分布的不均勻性對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生很大的影響,因此,研究旋渦的產(chǎn)生、傳播和破碎等過程是非常有意義的[5]。

流場(chǎng)顯示技術(shù)能夠獲得對(duì)流場(chǎng)最直接的認(rèn)識(shí),可以為上述的機(jī)理提供旋渦存在及其如何運(yùn)動(dòng)的依據(jù)。然而,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫高壓環(huán)境給燃燒室中流場(chǎng)顯示帶來了巨大的困難,僅能通過冷流實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究。目前流場(chǎng)顯示技術(shù)發(fā)展迅速,在分離與旋渦流動(dòng)分析中起到了重要的作用[6]。PIV因其能在測(cè)量流速的同時(shí)顯示流場(chǎng)中瞬時(shí)旋渦結(jié)構(gòu)而倍受人們歡迎,并得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]。Anthoine等人[7]使用PIV研究了Ariane5的P230的縮比模型中障礙渦脫落,此外,Fabignon等人[11]使用PLIF研究了模型實(shí)驗(yàn)器VECLA中的表面渦脫落。然而這些研究只獲得了流場(chǎng)某一瞬間的旋渦結(jié)構(gòu)及其分布,這是因?yàn)镻IV使用的是脈沖激光器,其頻率有限,只能達(dá)到幾十赫茲[7,9],無法捕獲某一旋渦的發(fā)展及其撞擊下游壁面等過程。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中存在的渦脫落大概可以分為3種類型[11]：障礙、表面和轉(zhuǎn)角渦脫落。國外的研究主要是針對(duì)前兩種類型,對(duì)轉(zhuǎn)角渦脫落的研究未見諸于公開文獻(xiàn)。

因此,針對(duì)包含后向臺(tái)階和潛入式噴管的二維縮比實(shí)驗(yàn)器,該實(shí)驗(yàn)器可以模擬使用潛入式噴管的翼柱形裝藥固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中翼槽燒完時(shí)內(nèi)流場(chǎng)的幾何構(gòu)型。通過搭建高速攝影平臺(tái),對(duì)轉(zhuǎn)角渦脫落的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果可以提高對(duì)真實(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中流動(dòng)的認(rèn)識(shí),可以加深對(duì)聲-渦耦合機(jī)理的理解,并為數(shù)值計(jì)算方法提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4部分組成：包含后向臺(tái)階和潛入噴管的二維縮比實(shí)驗(yàn)器、高速攝影平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的來流供給系統(tǒng)和示蹤粒子加入裝置(圖1)。

圖1 二維縮比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器Fig.1 2D scaled experimental motor

1.1 二維縮比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器

考慮到真實(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的流量較大,地面空氣儲(chǔ)罐氣源總量無法滿足直接使用發(fā)動(dòng)機(jī)原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),且真實(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較大,需要觀察的區(qū)域也較大,所以采用二維縮比模型,以便在實(shí)驗(yàn)器上安裝光源和觀察玻璃窗,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋渦運(yùn)動(dòng)的拍攝。實(shí)驗(yàn)器內(nèi)通道高為50mm,寬為80mm,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)器的噴管喉部面積可調(diào)。為了能夠拍攝到后向臺(tái)階與潛入式噴管之間旋渦運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)過程,光源位于觀察窗正下方(圖3),但潛入式噴管背區(qū)空腔(如圖2中背光區(qū)域所示)的內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)則無法獲得。

使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的示蹤粒子加入裝置,將直徑為1～10μ m的Al2O3粉末,在混合段加入實(shí)驗(yàn)器中,通過多孔板,粉末跟來流常溫空氣能達(dá)到一個(gè)較好的混合狀態(tài),以滿足流場(chǎng)顯示。

圖2 實(shí)驗(yàn)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of the experimental motor

圖3 觀察窗窗口Fig.3 Visualization window

1.2 高速攝影平臺(tái)

高速攝影平臺(tái)由片光系統(tǒng)和高速數(shù)字相機(jī)組成。片光系統(tǒng)包括激光器、光導(dǎo)臂和片光轉(zhuǎn)換裝置(如圖4所示)。使用光導(dǎo)臂將由激光器發(fā)出的波長為322nm激光導(dǎo)送到片光源玻璃窗下方(如圖 4所示),通過片光轉(zhuǎn)換裝置,轉(zhuǎn)換成片光,片光與主流流動(dòng)方向平行(如圖5所示),高速數(shù)字相機(jī)垂直于該片光進(jìn)行拍攝。

圖4 片光系統(tǒng)組成Fig.4 Sheet laser light system

圖5 片光源效果圖Fig.5 Sheet laser light

實(shí)驗(yàn)中使用的高速數(shù)字相機(jī)為Phantom4.3,如圖1中所示,分辨率設(shè)置為512mm×384mm,采樣頻率設(shè)置為2999幀/s。

2 典型實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)時(shí),來流為常溫空氣,喉部面積為983.1mm2,實(shí)驗(yàn)器內(nèi)的靜壓為0.36MPa,實(shí)驗(yàn)時(shí)的通道中的來流馬赫數(shù)為0.14。由于激光片光源的寬度的限制,同一工況一共進(jìn)行了3次拍攝。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

湍流是流體的一種復(fù)雜流動(dòng),以流動(dòng)的某一局部區(qū)域存在不規(guī)則運(yùn)動(dòng)為標(biāo)志。從本質(zhì)上來說旋渦展現(xiàn)了流體的一種局部化的“有序結(jié)構(gòu)”形式[12]。實(shí)驗(yàn)器內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)是極其雜亂,但又存在一定的規(guī)律性,其雜亂體現(xiàn)在該區(qū)域的流動(dòng)不再是穩(wěn)定的層流,存在著明顯的流動(dòng)分離和強(qiáng)烈的旋渦運(yùn)動(dòng),而其規(guī)律性正是體現(xiàn)在旋渦的有規(guī)律地脫落、傳播和破碎過程。這也正體現(xiàn)了湍流同時(shí)具有隨機(jī)性和有序性[13]。

3.1 旋渦的識(shí)別

利用示蹤粒子的散射作用,則圖片中黑色代表沒有粒子分布,而白色代表有粒子分布。那么如果示蹤粒子的比重比流體介質(zhì)的大,則離心力大于粒子上的壓力差,粒子將向外偏移[14]。粒子將被“甩”出,從而使得渦核附近處于近乎無粒子的狀態(tài),出現(xiàn)所謂的“黑洞”現(xiàn)象[7],即如圖8(a)中的紅色橢圓所示。實(shí)驗(yàn)中旋渦產(chǎn)生和脫落初期,渦量大而尺度小,粒子無法跟隨旋渦運(yùn)動(dòng),被甩出渦核區(qū),此時(shí)“黑洞”現(xiàn)象即說明旋渦的存在,而在潛入式噴管的空腔區(qū)附近,渦量小而尺度大,粒子能夠跟隨大尺度旋渦作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),以此作為旋渦存在的判據(jù)。

3.2 典型流動(dòng)區(qū)域劃分

實(shí)驗(yàn)后拆除潛入式噴管,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器通道內(nèi)腔側(cè)壁上粒子的粘附情況存在如圖6所示的現(xiàn)象,三角形區(qū)域內(nèi)很“潔凈”,粒子粘附較少,對(duì)流動(dòng)分析后認(rèn)為,這是因?yàn)檩^為強(qiáng)烈的旋渦運(yùn)動(dòng)使得粒子較難粘附于側(cè)壁三角形區(qū)域內(nèi),并且強(qiáng)烈的旋渦運(yùn)動(dòng)對(duì)三角形區(qū)域內(nèi)已粘附的粒子亦有“清掃”作用。此外,雖然三角形區(qū)域上方也存在旋渦運(yùn)動(dòng),但流速和旋渦強(qiáng)度均較低,對(duì)該區(qū)域側(cè)壁上已粘附粒子的“清掃”作用較小。據(jù)此,將觀察區(qū)分為3個(gè)典型流動(dòng)區(qū)：主流區(qū)、旋渦脫落區(qū)和空腔區(qū),如圖3所示。下面將對(duì)后兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的旋渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.3 旋渦脫落區(qū)

為了便于分析,圖中保留該圖片的當(dāng)?shù)貢r(shí)刻,并在圖片下方注明兩張圖片之間的時(shí)間間隔,Δt為343～345μ s之間。此外,選擇所關(guān)心區(qū)域,局部放大顯示其流動(dòng)細(xì)節(jié),從而減少圖片中的無關(guān)信息。

(1)由圖7(示蹤粒子加入初期,此時(shí)粒子還沒進(jìn)入空腔區(qū)內(nèi))和圖8可以看出：流動(dòng)在后向臺(tái)階處發(fā)生分離,產(chǎn)生旋渦,旋渦逐個(gè)脫落,在隨主流向下游傳播的過程中,其尺度逐漸變大。圖7(a)和圖8(a)中橢圓處分別產(chǎn)生一個(gè)旋渦,經(jīng)過3Δt時(shí)間后,幾乎在同一位置又產(chǎn)生另一個(gè)旋渦,因此可以得出旋渦的脫落頻率大約為968Hz。

圖6 實(shí)驗(yàn)器內(nèi)腔側(cè)壁上示蹤粒子粘附情況Fig.6 Particles on the internal side wall

圖7 示蹤粒子加入初期的渦脫落Fig.7 Vortex shedding at the begging of particles addition

圖8 渦脫落頻率分析Fig.8 Vortex shedding frequency analysis

(2)從圖9可以看出連續(xù)兩個(gè)旋渦(分別為旋渦A和旋渦B)先后撞擊潛入式噴管潛入段發(fā)生破碎的過程,并且在旋渦破碎后,一部分進(jìn)入潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi),而另一部分隨主流流出噴管。

圖9(a)～(d)為旋渦 A撞擊潛入段的過程。圖9(e)～(h)為旋渦B的撞擊過程。圖9(c)和(h)分別為旋渦A和B撞擊到相似位置的時(shí)刻,可以看出旋渦撞擊的間隔時(shí)間大約為5Δt,因此可以得出旋渦撞擊噴管的頻率大約為581Hz,旋渦的撞擊頻率比旋渦的脫落頻率低。

圖9 旋渦撞擊噴管潛入段發(fā)生破碎Fig.9 Break-down of vortex due to its impingement of submerged nozzle

3.4 空腔區(qū)

空腔區(qū)分為兩個(gè)子區(qū)域,分別為潛入式噴管附近的空腔區(qū)和緊靠后向臺(tái)階的空腔區(qū),這兩個(gè)子區(qū)域的氣流流速均較低,但流動(dòng)細(xì)節(jié)卻存在著一定的差異。

3.4.1 潛入式噴管附近的空腔區(qū)

(1)該區(qū)域存在著較為明顯的大尺度旋渦運(yùn)動(dòng),并且出現(xiàn)了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度的旋渦運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,潛入式噴管空腔中不斷有小尺度旋渦(如圖10(a)和11(e)中的圓圈所示)流出,伴隨大尺度的旋渦運(yùn)動(dòng),最終被大尺度旋渦吞并。此外,大尺度的旋渦運(yùn)動(dòng)又會(huì)在上壁面卷起小尺度旋渦,這是因?yàn)榇蟪叨刃郎u在壁面附近引起邊界層分離。這與作者進(jìn)行的大渦模擬[14]所得的結(jié)果接近,在潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi)部這種現(xiàn)象將更為明顯。大尺度旋渦在壁面卷起的小尺度旋渦使得空腔區(qū)的流動(dòng)更為雜亂。

圖10 上壁面處產(chǎn)生的新的小尺度旋渦Fig.10 New small scale vortex generated on the internal upper-wall

圖11 潛入式噴管附近空腔區(qū)內(nèi)的旋渦運(yùn)動(dòng)Fig.11 Vortical motions in the cavity close to the submerged nozzle

(2)從圖11可以看出,潛入式噴管附近空腔區(qū)的流動(dòng)對(duì)旋渦脫落區(qū)的流動(dòng)存在影響,當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的大尺度旋渦運(yùn)動(dòng)沒有侵入旋渦脫落區(qū)時(shí),旋渦脫落區(qū)的旋渦C(如圖11(a)所示)隨主流向下游傳播的速度變慢,將“等待”下一個(gè)旋渦D,并且在向下游傳播的過程中兩個(gè)旋渦逐漸變形,在圖11(e)中兩個(gè)旋渦幾乎重疊(如圖中矩形方框中所示),但最后因?yàn)榇蟪叨刃郎u運(yùn)動(dòng)的卷吸作用旋渦C直接進(jìn)入潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi),而旋渦D則撞擊在潛入式噴管潛入段(如圖11(g)所示)。這也是旋渦的撞擊頻率低于旋渦的脫落頻率的原因之一。此外,當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的旋渦運(yùn)動(dòng)尺度相對(duì)較大時(shí),將侵入渦脫落區(qū),從而使得渦脫落區(qū)中旋渦向主流區(qū)靠近。

3.4.2 緊靠后向臺(tái)階的空腔區(qū)

從整個(gè)過程來看,示蹤粒子加入初期,粒子只分布到旋渦脫落區(qū)上沿,而不會(huì)向上運(yùn)動(dòng)到空腔區(qū)內(nèi),然后,由潛入式噴管附近空腔區(qū)的大尺度旋渦運(yùn)動(dòng)卷吸向上游傳播而來。該區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)與潛入式噴管附近空腔區(qū)的類似,但量級(jí)上存在差別,旋渦運(yùn)動(dòng)沒有潛入式噴管附近空腔區(qū)明顯,旋渦的強(qiáng)度較小。從圖12可以看出,后向臺(tái)階與上壁面的交界將形成貼壁小尺度旋渦(如圖12(a)所示),該旋渦的尺度逐漸變大,并向旋渦脫落區(qū)方向移動(dòng),與此同時(shí),周圍也存在許多小尺度旋渦運(yùn)動(dòng)。

圖12 后向臺(tái)階空腔旋渦運(yùn)動(dòng)Fig.12 Vortical motions in the cavity close to the backward-facing step

4 結(jié) 論

(1)搭建的高速攝影平臺(tái),借助連續(xù)片光流場(chǎng)顯示技術(shù),利用示蹤粒子的散射作用,能夠揭示內(nèi)流場(chǎng)中的旋渦運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié),可以提高對(duì)真實(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中流場(chǎng)的認(rèn)識(shí);

(2)根據(jù)流動(dòng)細(xì)節(jié)可以得出,二維縮比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器的內(nèi)流場(chǎng)可以分為3個(gè)典型的流動(dòng)區(qū)域,分別為主流區(qū)、旋渦脫落區(qū)和空腔區(qū)。有規(guī)律的旋渦脫落、傳播以及破碎過程主要發(fā)生在旋渦脫落區(qū)?？涨粎^(qū)中出現(xiàn)了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度旋渦一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象;

(3)旋渦的脫落頻率大于其撞擊潛入式噴管的頻率。

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