射流振荡激励响应特性与双级振荡研究

摘要

本文基于国家自然科学基金项目（51276026）的课题研究，对静止式气波制冷机中射流振荡发生器的不同激励方式及主射流的激励响应特性展开研究。对反馈式和音波式两种传统自激励式附壁振荡器进行结构优化，并与新式外激励附壁振荡器的优化结构进行对比分析，并以实验验证相关结论。基于多管静止式气波制冷机对多股小占空比时均射流的需求，在外激励单级附壁振荡器的基础上，开展外激励双级附壁振荡研究，设计并加工外激励双级激励流调制装置，对双级附壁振荡器进行实验验证。
　　本文的主要研究工作及结论如下：
　　（1）定义附壁振荡器能效特性及射流偏转特性的评价指标——总压保持率K和附壁切换周期占比R。以K和R作为反馈式和音波式附壁振荡器优化过程中的性能评估指标，得到了两种自激励附壁振荡器的最优特征参数组合。经优化后，反馈式附壁振荡器的总压保持率K相对优化前提高了9.6%，音波式的K相对优化前提高了19.7%。
　　（2）对自激励和外激励式附壁振荡器激励口和出口的总压模拟曲线分析可知：自激励附壁振荡器的激励流总压低于外激励，需要消耗主射流动能挟带加速；自激励流压力前沿跃升慢且过早跌落，在主射流分流处产生大量能量损失且无法避免，因而总压保持率低于外激励附壁振荡器。即便在结构优化后，反馈式与音波式的总压保持率K仍分别低于外激励14.0%和6.0%；自激励振荡射流的附壁切换时间长于外激励式，优化后的反馈式及音波式的附壁切换周期占比R分别高于外激励式12.5%和10.7%。
　　（3）将经模拟优化的附壁振荡器加工成模型用于实验。将实验测量结果与模拟结果对比，并对不同激励方式的附壁振荡器间进行对比分析。自激励和外激励附壁振荡器的实验所得K值均比模拟时降低，反馈式和音波式分别降低了17.0%和23.5%，外激励式降低了6.3%。三种附壁振荡器的实验测量曲线所得 R值均比模拟时有所增加，自激励反馈式和音波式的R值分别增加了13.0%和13.5%，外激励式的R值比模拟值增加了7.1%。实验三种振荡器的总压保持率均有所下降，但反馈式与音波式的K值仍分别低于外激励式24.7%和22.8%。实验结果证明了新型外激励附壁振荡器的能效指标远高于自激励附壁振荡器。
　　（4）对新型外激励双级附壁振荡器进行数值模拟研究，表明外激励双级振荡射流切换时，应先从该组内分支流道切换到另一组外分支流道，返回切换时则再从另一组的内分支流道先回到该组的外分支流道。在不同振荡频率下，外激励双级附壁振荡器的出口射流均具有良好的性质，可以满足多管静止式气波制冷机对于振荡频率的要求。外激励双级附壁振荡器四个出口的总压保持率K均可保持在87.3%，高于多管音波式外侧分支5.7%，高于其中间分支26.3%。因此，外激励双级附壁振荡器能效特性和射流振荡性能均优于传统多管音波式附壁振荡器。
　　（5）在外激励双级附壁振荡器数值模拟的基础上，开展双级附壁振荡实验研究。设计并加工双级激励旋转阀，用于实验中的激励流调制生成系统。将双级附壁振荡器激励口和出口实测波形与模拟波形对比，并对四个出口的排气顺序做出实验验证，结果与模拟相同。最后，进行同工况下多管音波式附壁振荡器的对比实验，证明了外激励双级附壁振荡器具有良好的射气时均性和能效指标。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 选题背景及意义

1.2 射流技术简述

1.3 流动控制技术概述

1.4 气波制冷机简述

1.5 关于附壁振荡器的研究

1.6 本文研究内容及目的

2 附壁振荡模拟的数值方法

2.1 物理模型

2.2 控制方程

2.3 湍流方程

2.4 数值计算方法简介

2.5 计算边界条件

3 自激励式附壁振荡器的优化及与外激励式的对比研究

3.1 附壁振荡器的几何结构与激励响应特性

3.2 自激励附壁振荡器的优化过程

3.3 自激励与单级外激励附壁振荡器的对比分析

3.4 本章小结

4 自激励与单级外激励附壁振荡器的实验验证

4.1 实验目的与实验研究内容

4.2 实验平台搭建与实验流程

4.3 实验与模拟的结果对比分析

4.4 本章小结

5 外激励双级附壁振荡器的数值模拟

5.1 外激励双级附壁振荡器基本结构及振荡原理

5.2 外激励双级附壁振荡器特性模拟分析

5.3 本章小结

6 外激励双级附壁振荡实验研究

6.1 双级附壁振荡实验目的与激励流

6.2 实验平台搭建与实验流程

6.3 双级附壁振荡器实验与模拟结果对比分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢