加小突片喷口射流增强混合的机理研究

摘要

小突片射流作为一种射流被动控制的有效方法，被广泛用于增强混合、涡轮机叶片气膜冷却以及消除超音速射流啸叫等方面。开展小突片对射流流场影响机理的研究，对于优化小突片结构、数量，从而增强射流流体的混合效果具有重要意义。 本文综合采用流动显示、双丝热线测量和数值计算三种研究方法，研究加装不同尺寸、不同数目小突片对于射流流场及涡结构的影响。通过综合的研究方法，获得更多的流场变化信息，探索小突片影响流场的机理。 本文主要研究内容如下： 1.改造作为射流发生装置的VEB型小型吹入式射流风洞。通过增加阻尼网、蜂窝器和反扭导流片消除轴流风扇叶片影响，从而提高流场品质。设计制造加装不同尺寸、不同数目小突片的射流喷嘴。其中包括按照Zaman给出的最优化小突片结构，加装2、4、6.8个大尺寸小突片的射流喷嘴；以及为了研究小突片个数对射流影响，而自行设计的加装4、8、16、32个小尺寸小突片的射流喷嘴。 2.采用风洞发烟结合激光片光源的流动显示实验方法，对不同尺寸、不同数目小突片射流的近场横截面进行流场可视化研究。观察了不同尺寸、不同数目小突片产生的流向涡结构。在证实前人工作中得到的流向涡对①的基础上，还得到了由流向涡对①诱导出的反向流向涡对②。同时发现了小突片齿尖位置存在的流向涡对③，以及涡对③随着小突片增多而强度增大的分布规律。 3.采用双丝热线技术，精细测量了各种小突片湍射流不同流向横断面上各点的瞬态二维速度分量(流向、径向速度信号)。对热线探针测量得到的不同小突片射流平均流场的速度分量、湍流度、周向涡量场等流动参数进行了分析，对比研究了圆射流及加装不同尺寸、不同数目的小突片射流。 4.选用基于重整化群(Renormalization Group)理论的RNG k-ε湍流模型，利用CFD软件对圆射流和各种小突片射流流场进行数值仿真计算；从而获得完整流场信息。将计算结果与实验测量结果进行对比，通过数值计算真实再现了小突片射流三维流场。结合流动显示，进一步定量研究了流向涡量场，分析不同小突片对流场中流向涡对①②③的影响；结合热线测量结果，研究了各种射流的周向涡量场。发现了周向涡上游的“反向周向涡”结构，以及小突片较多情况下，射流场中的“双排涡结构”。从流向涡结构与周向涡结构角度进一步研究小突片强化混合的机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1喷口加装小突片湍射流研究简述

1.2选题背景及意义

1.2.1选题背景

1.2.2选题意义

1.3本文主要工作

第二章实验设备与实验技术

2.1 VEB小型射流风洞的改造及流场品质检验

2.1.1小型射流风洞

2.1.2流场品质检验

2.1.3圆湍射流基本流场的精细测量

2.2加装小突片喷口实验模型设计

2.3实验方案设计

2.3.1流动显示实验方案设计

2.3.2热线测量实验方案设计

2.3.3实验状态参数的确定

2.3.4数据采集

2.4热线测速系统

2.4.1 IFA300热线风速仪

2.4.2热线探针

2.4.3热线探针的标定

2.4.4三维步进电机坐标架

第三章圆湍射流喷口小突片对流场流向涡结构影响的流动显示

3.1不同数目小突片射流横截面流场的流动显示

3.2流向涡结构显示

3.3小结

第四章喷口加装小突片湍射流平均流场的实验研究

4.1不同数目大尺寸小突片射流平均流场的测量

4.1.1平均速度剖面

4.1.2平均湍流度剖面

4.1.3平均周向涡量场剖面

4.1.4射流轴线速度衰减

4.2不同数目小尺寸小突片射流平均流场的测量

4.2.1平均速度剖面

4.2.2平均湍流度剖面

4.2.3平均周向涡量场剖面

4.2.4射流轴线速度衰减

4.3小结

第五章基于CFD方法的小突片射流流场仿真研究

5.1计算流体力学方法简介

5.1.1湍流模型及基本控制方程

5.1.2小突片射流流场的计算模型和网格划分

5.2小突片射流边界条件的设定

5.2.1应用UDF表示小突片射流流场入口速度剖面的研究

5.2.2小突片射流壁面和压力出口边界条件的设置

5.3小突片射流仿真实验的计算结果与分析

5.3.1不同数目大尺寸小突片射流平均流场的计算结果

5.3.2不同数目小尺寸小突片射流平均流场的计算结果

5.4小结

第六章总结和展望

6.1全文总结

6.2本文创新点

6.3对今后研究工作的展望

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

致谢