入射壓力對(duì)連續(xù)超聲速射流對(duì)撞的影響*

趙 坤,刁志成,何立明,曾 昊,張勝利,謝祥勇

(1 空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,西安 710038;2 95896部隊(duì),河北滄州 061700;3 93716部隊(duì),天津 300000;4 94855部隊(duì),浙江衢州 324000)

0 引言

兩級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Two-stage pulses detonation engine,2-stage PDE)[1-3]是由俄羅斯的Levin等人[4]首次提出的一種基于環(huán)形連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震原理的新形式脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī),主要由一級(jí)預(yù)燃裝置和二級(jí)激波聚焦起爆裝置構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、頻率高等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)外關(guān)于2-stage PDE的研究比較多,繼俄羅斯于2001年成功起爆連續(xù)爆震之后,美國(guó)日本等國(guó)[5-6]分別開(kāi)展了凹面腔內(nèi)激波聚焦過(guò)程的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬并取得了一定的成果;國(guó)內(nèi)關(guān)于2-stage PDE的研究[7-11]開(kāi)始較晚,而且多集中于暫沖式激波聚焦起爆爆震的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬,少數(shù)單位[12-13]開(kāi)展過(guò)連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦的實(shí)驗(yàn),但是仍不夠深入。由于凹面腔內(nèi)聚焦的激波是由連續(xù)超聲速射流對(duì)撞產(chǎn)生的,所以研究清楚射流對(duì)撞的機(jī)理很有必要。文中結(jié)合前人的相關(guān)研究[14-15],開(kāi)展了不同入射壓力條件下自由空間內(nèi)連續(xù)超聲速射流對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,通過(guò)分析對(duì)撞區(qū)域的動(dòng)態(tài)壓力和輻射噪聲來(lái)揭示射流入射壓力對(duì)連續(xù)超聲速射流對(duì)撞的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)值算法介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

文中采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段以及壓力測(cè)量系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)段及測(cè)試系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)段主要由對(duì)稱布置的兩個(gè)穩(wěn)壓罐以及射流噴管組成,噴管的截面積尺寸為寬度5 mm、厚度30 mm,噴管出口間距為126 mm。在穩(wěn)壓罐內(nèi)布置一個(gè)總壓傳感器用來(lái)測(cè)量超聲速射流的入射壓力,在兩噴管中點(diǎn)布置PCB動(dòng)態(tài)壓力傳感器用來(lái)測(cè)量射流對(duì)撞位置的動(dòng)態(tài)壓力,在距離噴管2 000 mm的垂直位置布置聲壓傳感器用來(lái)測(cè)量射流對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的輻射噪聲,其中動(dòng)態(tài)壓力采樣頻率為500 kHz,聲壓采樣頻率為21.3 kHz。

1.2 數(shù)值算法及驗(yàn)證

物理模型尺寸與實(shí)驗(yàn)段實(shí)物的結(jié)構(gòu)尺寸相同,鑒于其對(duì)稱性,文中使用二維軸對(duì)稱模型。為節(jié)約計(jì)算資源并提高計(jì)算精度,初始網(wǎng)格尺寸為0.1 mm,根據(jù)密度梯度自適應(yīng)加密網(wǎng)格,射流噴口為壓力入口邊界,壓力與實(shí)驗(yàn)取值相同,溫度為Tin=300 K,計(jì)算區(qū)域?yàn)閴毫a=0.101 MPa、溫度Ta=300 K、填充空氣的環(huán)境條件。采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,求解器為分離式求解器,湍流模型為Realizablek-ε模型,算法為PISO算法,方程離散格式為二階迎風(fēng)格式。

為驗(yàn)證文中算法的有效性,采用文獻(xiàn)[16]中所訴工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。圖2(a)為文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)壓力時(shí)域局部放大圖,圖2(b)為文中數(shù)值算法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)所得的動(dòng)態(tài)壓力幅值、周期均與數(shù)值模擬所得結(jié)果吻合的較好,故可以說(shuō)明文中采用的數(shù)值算法具有很好的可信度。

圖2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分別在0.30 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa等6個(gè)不同的入射壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),依次測(cè)量對(duì)撞中心的動(dòng)態(tài)壓力、對(duì)撞區(qū)域的輻射噪聲并結(jié)合FFT變換,分析了超聲速射流入射壓力對(duì)射流對(duì)撞的影響規(guī)律。

2.1 對(duì)動(dòng)態(tài)壓力的影響

圖3為入射壓力分別為0.30 MPa、0.45 MPa、0.55 MPa三個(gè)典型入射壓力條件下對(duì)撞中心壓力脈動(dòng)時(shí)域圖,可以看出,隨著入射壓力的不斷提高,動(dòng)態(tài)壓力傳感器所測(cè)量到的壓力脈動(dòng)幅值逐漸增大,故可以得出,入射壓力越高,射流對(duì)撞強(qiáng)度越大的結(jié)論。同時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力幅值整體上具有較大的波動(dòng),這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)壓力傳感器位置固定,而射流對(duì)撞位置會(huì)左右擺動(dòng),當(dāng)對(duì)撞中心與傳感器重合時(shí),傳感器測(cè)得的動(dòng)態(tài)壓力幅值較大。

圖3 不同入射壓力下動(dòng)態(tài)壓力時(shí)域圖

對(duì)上述6種入射壓力條件下的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,得到如圖4所示的頻率變化曲線。從圖中可以看出,各入射壓力條件下都出現(xiàn)了基頻1 100 Hz左右和基頻3 900 Hz左右的頻率,根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的分析可以知道,1 100 Hz左右是射流對(duì)撞的頻率,而3 900 Hz左右是射流對(duì)撞中心的動(dòng)態(tài)壓力傳感器固定支柱的固有振蕩頻率。隨著射流入射壓力的升高,射流對(duì)撞引起的壓力脈動(dòng)頻率逐漸增大,由P=0.30 MPa時(shí)的1 036 Hz上升至P=0.55 MPa時(shí)的1 169 Hz。

圖4 不同入射壓力下動(dòng)態(tài)壓力頻率

2.2 對(duì)輻射噪聲的影響

圖5 不同入射壓力下輻射噪聲頻率

圖5是超聲速射流入射壓力在0.3～0.55 MPa條件下,射流對(duì)撞產(chǎn)生的輻射噪聲頻率變化曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的論述,超聲速射流對(duì)撞過(guò)程中通常包括三種噪聲:湍流結(jié)構(gòu)所輻射出的湍流摻混噪聲,主要存在于低頻段,頻帶較寬,對(duì)應(yīng)的聲壓較小;非定常小擾動(dòng)在噴口與激波胞格間正反饋產(chǎn)生的嘯叫,頻帶相對(duì)較窄,對(duì)應(yīng)的聲壓較高,呈現(xiàn)出突出的峰值;胞格結(jié)構(gòu)與湍流不穩(wěn)定波動(dòng)的相互作用產(chǎn)生的寬頻帶激波相關(guān)噪聲,其頻率較高,對(duì)應(yīng)的聲壓較小。在文中,射流對(duì)撞后引起的壓力脈動(dòng)作為初始的外界擾動(dòng)在噴口與胞格結(jié)構(gòu)相互作用,產(chǎn)生了嘯叫,圖5中入射壓力條件下的頻率即為嘯叫頻率。

通過(guò)與圖5中對(duì)應(yīng)工況的射流對(duì)撞頻率對(duì)比,發(fā)現(xiàn)嘯叫頻率普遍要略小一些,根據(jù)文獻(xiàn)[14]中所述的嘯叫聲反饋放大機(jī)制可知,由射流對(duì)撞引起的壓力脈動(dòng)作為初始擾動(dòng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的聲反饋回路,導(dǎo)致嘯叫頻率低于聲源的壓力脈動(dòng)頻率。射流對(duì)撞引起的嘯叫頻率基本保持在1 100 Hz左右,且隨射流入射壓力增大而增大。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選擇與實(shí)驗(yàn)相同的射流入射壓力條件下進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合FFT變換,分析射流對(duì)撞中心動(dòng)態(tài)壓力及輻射噪聲的變化,進(jìn)一步研究入射壓力對(duì)射流對(duì)撞的影響。

3.1 對(duì)動(dòng)態(tài)壓力的影響

圖6為數(shù)值模擬得到的三個(gè)典型入射壓力下兩噴口射流對(duì)撞中點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力時(shí)域圖?？梢钥闯?數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合,即隨著射流入射壓力增大,射流對(duì)撞中心動(dòng)態(tài)壓力越大,射流對(duì)撞強(qiáng)度越大。同時(shí)還可以看出,圖6中的壓力曲線整體上沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中類似的波動(dòng),說(shuō)明數(shù)值模擬中兩側(cè)射流強(qiáng)度一致,對(duì)撞區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定。

對(duì)6種射流入射壓力條件下的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,發(fā)現(xiàn)各工況下都只存在一個(gè)頻率,即射流對(duì)撞導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)頻率,其大小隨射流入射壓力的增大而增大,如圖7所示。從中可以看出,隨著射流入射壓力的不斷增大,射流對(duì)撞中心的壓力脈動(dòng)頻率由P=0.30 MPa時(shí)的890 Hz單調(diào)上升至P=0.55 MPa時(shí)的1 780 Hz,趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。但是在頻率的具體數(shù)值上,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大,這主要是因?yàn)橄抻谟?jì)算資源以及網(wǎng)格尺寸,無(wú)法捕捉到小尺寸渦的變化,而且數(shù)值模擬沒(méi)有考慮到實(shí)驗(yàn)中的外界干擾、試驗(yàn)器尺寸誤差。在6種入射壓力下都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)3 900 Hz左右的頻率峰值,這進(jìn)一步說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的這種頻率是傳感器固定支柱的固有振蕩頻率。

3.2 對(duì)輻射噪聲的影響

圖8是數(shù)值模擬得到的6種入射壓力下輻射噪聲頻率變化曲線。

從中可以看出,隨著入射壓力的逐漸提高,射流對(duì)撞所產(chǎn)生的嘯叫頻率的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的規(guī)律吻合:當(dāng)入射壓力處于最低的0.30 MPa時(shí),嘯叫的頻率為851 Hz,此后隨著入射壓力的不斷提高,嘯叫頻率值單調(diào)上升,直至入射壓力升高至0.55 MPa時(shí),嘯叫頻率達(dá)到最大值1 701 Hz。本組數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的差別,同樣是限于計(jì)算資源,網(wǎng)格仍然相對(duì)較大,無(wú)法捕捉到更加細(xì)微的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)所致。

圖6 數(shù)值模擬不同入射壓力下動(dòng)態(tài)壓力時(shí)域圖

圖7 數(shù)值模擬不同入射壓力下動(dòng)態(tài)壓力頻率

4 結(jié)論

文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,通過(guò)分析射流對(duì)撞中心的動(dòng)態(tài)壓力和輻射噪聲,研究了入射壓力對(duì)射流對(duì)撞的影響規(guī)律,得到的主要結(jié)論如下:

1)隨著射流入射壓力的增大,射流對(duì)撞導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)壓力幅值逐漸增大,頻率也逐漸增大。

2)隨著射流入射壓力的增大,射流對(duì)撞引起的嘯叫頻率逐漸增大。

3)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有同樣的變化趨勢(shì),但是在具體數(shù)值上差別較大,這主要是因?yàn)榫W(wǎng)格尺寸相對(duì)較大,無(wú)法捕捉細(xì)微的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),下一步需要提高數(shù)值模擬精度。

圖8 數(shù)值模擬不同入射壓力下輻射噪聲頻率