CN109139267B - 超声速流动增混装置 - Google Patents

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Abstract

针对现有技术中已有的主动/被动增混装置存在的结构复杂、优化困难、流动阻力和总压损失大的不足，本发明提供一种超声速流动增混装置，该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的流动增混板，流动增混板的前段为具有一定厚度的平板，流动增混板的后段为曲面板；平板的后端与曲面板的前端连接在一起组成流动增混板。本发明通过涡结构与混合层的相互作用促进了流动的高效掺混。本发明不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流动阻力和总压损失大的不足，通过曲面装置的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。

Description

超声速流动增混装置
技术领域
本发明涉及航空航天领域的混合增强装置，尤其涉及到一种利用曲面生成涡来促进流动不稳定性进行超声速流动增混的装置。
背景技术
空气-燃气的混合广泛存在于航空航天推进领域，如在超燃冲压发动机中，作为高超声速推进技术的动力核心，其燃烧室中燃料和高速空气来流的快速掺混对于系统能够获得足够的净推力尤为重要。然而在有限的燃烧室尺寸下，超声速来流的驻留和掺混时间非常短(毫秒级)，再加上强可压缩效应进一步导致混合效率低下，因此有必要采取一系列混合增强装置促进掺混。
常见的混合增强装置按实施方法可分为两类：主动增混装置和被动增混装置。
主动增混装置通过机械或声学等方式对流场施加外部激励，扰乱混合层的基本流动状态，以激发流动不稳定来促进混合，激励的频率、幅值和位置对混合层增长特性有重要影响。常见的如压电振子、吸吹气、声学激励和等离子体激励等。论文(D.H.Kim,J.W.Chang,J.S.Cho.Flow disturbances depending on excitation frequency on a flat plateby a piezoceramic actuator.Journal of Visualization,2013,16:111–121.)采用在不可压低速流场中安装压电振动薄钢板的方式，实验研究了在压电传感器控制下给予薄平板特定的频率激励时，流场结构向下游传播的规律，其实验装置如图1所示。图1是压电振动平板的主动增混装置。来流经过压电振动平板后从A坡和B坡流出后混合。研究表明，适当的频率激励诱导了流向涡的配对，流动的湍流强度会显著提高。然而由于主动增混装置结构复杂，在超声速流道中不易安装；同时需要从外界引入激励和能量，实际操作较为困难；再加上主动增混装置往往需要对装置进行复杂的优化以达到和流动的特征频率相匹配，因此其适应性较差。基于以上三点，主动增混装置在超声速流道中的适用性还有待探究。
被动增混装置主要是通过改变结构构型，或者添加结构扰动来促使流动快速失稳或者产生流向涡结构来增强混合。常见的装置有三角翼、波瓣、支板以及波浪壁面构型等。论文(P.Gerlinger,P.Stoll,M.Kindler,et al.Numerical investigation of mixingand combustion enhancement in supersonic combustors by strut inducedstreamwise vorticity.Aerospace Science and Technology,2008,12:159–167.)研究了波瓣型支板结构对流场掺混特性的影响，结构如图2所示，图2是波瓣型支板的被动增混装置。上下两层空气和中间层的燃气在结构尾缘相遇后进行混合，波瓣型支板有效地诱导出流向涡结构，通过流向涡与混合层的相互作用促进混合。波瓣型支板结构可以有效地产生高强度的流向涡，和普通的支板相比，掺混效率明显提高。但是对于被动增混装置而言，一个明显的缺点是结构产生的激波会带来明显的流动阻力和总压损失。
基于以上分析，目前常见的主动/被动增混装置受限于结构复杂、优化困难以及总压损失大等原因，在超声速流动中往往难以实用。
发明内容
针对现有技术中已有的主动/被动增混装置存在的结构复杂、优化困难、流动阻力和总压损失大的不足，本发明提供一种超声速流动增混装置，其具有结构简单、适用性广泛、增混效果佳的特点。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
超声速流动增混装置，该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的流动增混板，流动增混板的前段为具有一定厚度的平板，流动增混板的后段为曲面板；平板的后端与曲面板的前端连接在一起组成流动增混板。其中：流动增混板上方为供第一股超声速气流流过的第一超声速流道，流动增混板下方为供第二股超声速气流流过的第二超声速流道，第一股超声速气流在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端，第二股超声速气流在流动增混板的下方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端。第一股超声速气流和第二股超声速气流在流动增混板的末端外实现增强混合。超声速气流经过曲面板的曲面时流动失稳会产生涡结构。由于曲面固有的离心不稳定性作用，涡结构在向下游发展过程中发生二次不稳定，涡结构的强度显著增大。在曲面板的末端，充分发展的涡结构进入主流与超声速混合层结构相互作用，促使流动进一步失稳，由此提高混合效率。可以将本发明装置应用与超声速发动机/火箭基组合循环发动机的燃烧室中，第一股超声速气流即从进气道进入的超声速的来流空气，第二股超声速气流即经燃气通道进入的超声速的富燃燃气，来流空气和富燃燃气在流动增混板的末端外实现增强混合。
本发明中，所述平板具有一定的厚度，一般为5～20mm，这里优选为H＝10mm，为了使上下两股超声速气流在平板上充分发展，平板的长度取L＝20mm。
本发明中，曲面板的上侧板面为曲面，曲面板的下侧板面为与平板的下侧板面齐平的平面。曲面板其上侧板面的前端与平板的上侧面板齐平。为了激发流动不稳定以产生对向旋转的涡结构，曲面板的上侧板面的曲面结构选取为凹曲面，即曲面板的上侧板面向曲面板的下侧板面凹进且所形成的上侧板面为呈弧形的弧形曲面。第一股超声速气流在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向经平板流向曲面板，经过曲面板的曲面时流动失稳会产生涡结构。由于曲面固有的离心不稳定性作用，涡结构在向曲面板的下游发展过程中发生二次不稳定，涡结构的强度显著增大。在曲面板的末端，充分发展的涡结构进入主流与超声速混合层结构相互作用，促使流动进一步失稳，由此提高混合效率。
为让涡结构充分发展，曲面板沿超声速气流流向的长度一般选取为50mm以上，这里优选为K＝60mm。曲面板其末端与第一股超声速气流的流动方向相切，以使在曲面板的下游充分发展的涡结构平行进入超声速混合层流场。曲面板其曲面的偏转角α一般选取为15°～30°，这里优选为α＝19°。曲面的曲面半径R由以下关系式确定：
式中，Ue为第一股超声速气流的来流速度，θ为上侧入口的初始动量厚度，ν为运动粘性系数，G为涡结构数目。上侧入口的初始动量厚度θ由下式确定：
式中，ρ1为第一股超声速气流的密度，U1和U2分别为第一、二股超声速气流的速度，ΔU为两股第一、二股超声速气流的速度差，ρy和Uy为两股超声速气流密度和速度在竖向的分布。
当涡结构数目G>9时，曲面的流场会完全失稳，因此这里优选曲面的曲面半径R＝185mm。
为确保结构可靠以及结构表面平滑，流动增混板是一体成型的整体结构，平板和曲面板是一体化加工成型。在材料的选择上也选择抗疲劳强度好的材料，例如55Si2Mn等合金弹簧钢。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明通过涡结构与混合层的相互作用促进了流动的高效掺混。本发明不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流动阻力和总压损失大的不足，通过曲面装置的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。
附图说明
图1是采用压电振动平板的主动增混装置；
图2是采用波瓣型支板的被动增混装置；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明的剖视图。
附图标记：
1.第一股超声速气流；
2.第二股超声速气流；
3.平板
4.曲面板；
5.涡结构。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。
参照图3和图4，为本发明超声速流动增混装置的结构示意图以及剖视图，该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的流动增混板，流动增混板的前段为具有一定厚度的平板3，流动增混板的后段为曲面板4。平板3的后端与曲面板4的前端连接在一起组成流动增混板。
将本发明装置应用与超声速发动机/火箭基组合循环发动机的燃烧室中，第一股超声速气流1即从进气道进入的超声速的来流空气，第二股超声速气流2即经燃气通道进入的超声速的富燃燃气。其中：流动增混板上方为供第一股超声速气流1流过的第一超声速流道，流动增混板下方为供第二股超声速气流2流过的第二超声速流道，第一股超声速气流1在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端，第二股超声速气流2在流动增混板的下方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端。第一股超声速气流1和第二股超声速气流2在流动增混板的末端外实现增强混合。
参照图4，本实施例中，所述平板具有一定的厚度，这里优选设置为H＝10mm。为了使上下两股超声速气流在平板上充分发展，平板的长度取L＝20mm。
曲面板4的上侧板面为曲面，曲面板4的下侧板面为与平板3的下侧板面齐平的平面。曲面板4其上侧板面的前端与平板3的上侧面板齐平。为了激发流动不稳定以产生对向旋转的涡结构，曲面板4的上侧板面的曲面结构选取为凹曲面，即曲面板4的上侧板面向曲面板4的下侧板面凹进且所形成的上侧板面为呈弧形的弧形曲面。第一股超声速气流1在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向经平板流向曲面板4，经过曲面板4的曲面时流动失稳会产生涡结构。由于曲面固有的离心不稳定性作用，涡结构在向曲面板的下游发展过程中发生二次不稳定，涡结构的强度显著增大。在曲面板的末端，充分发展的涡结构进入主流与超声速混合层结构相互作用，促使流动进一步失稳，由此提高混合效率。
为让涡结构充分发展，曲面板4沿超声速气流流向的长度一般选取为50mm以上，本实施例中优选为K＝60mm。曲面板4其末端与第一股超声速气流1的流动方向相切，以使在曲面板4的下游充分发展的涡结构平行进入超声速混合层流场。曲面板4其曲面的偏转角α一般选取为15°～30°，这里优选为α＝19°。曲面的曲面半径R由以下关系式确定：
式中，Ue为第一股超声速气流的来流速度，θ为上侧入口的初始动量厚度，ν为运动粘性系数，G为涡结构数目，当涡结构数目G>9时，曲面的流场会完全失稳，因此本实施例中曲面的曲面半径R＝185mm。
为确保结构可靠以及结构表面平滑，流动增混板是一体成型的整体结构，平板和曲面板是一体化加工成型。在材料的选择上也选择抗疲劳强度好的材料，例如55Si2Mn等合金弹簧钢。
上层来流空气和下层富燃燃气在平板3上充分发展后进入曲面板4，下层富燃燃气在曲面板4的下侧向右水平流动，而上层来流空气则通过曲面板上侧的弧形凹曲面，凹曲面流向长度K＝60mm，曲面曲率半径R＝185mm。由于凹曲面存在的离心不稳定性作用，上侧来流空气流经凹曲面后失稳产生涡结构6。经过充分发展后对向旋转的涡结构6进入混合层区域参与混合层的发展与演化。通过涡与混合层的相互作用促进了流动的高效掺混。本发明不需要外加激励能源，结构简单，同时克服了流动阻力和总压损失大的不足，通过曲面装置的自身不稳定性来促进流动的掺混，具有较强的适用性。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.超声速流动增混装置，其特征在于：该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的流动增混板，流动增混板的前段为具有一定厚度的平板，流动增混板的后段为曲面板；平板的后端与曲面板的前端连接在一起组成流动增混板，曲面板的上侧板面为曲面，曲面板的下侧板面为与平板的下侧板面齐平的平面，曲面板其上侧板面的前端与平板的上侧面板齐平。
2.根据权利要求1所述的超声速流动增混装置，其特征在于：流动增混板上方为供第一股超声速气流流过的第一超声速流道，流动增混板下方为供第二股超声速气流流过的第二超声速流道，第一股超声速气流在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端，第二股超声速气流在流动增混板的下方顺着流动增混板的长度方向流向流动增混板的末端；第一股超声速气流和第二股超声速气流在流动增混板的末端外实现增强混合。
3.根据权利要求1所述的超声速流动增混装置，其特征在于：所述平板厚度为5～20mm，平板的长度L＝20mm。
4.根据权利要求1所述的超声速流动增混装置，其特征在于：曲面板的上侧板面的曲面结构选取为凹曲面，曲面板的上侧板面向曲面板的下侧板面凹进且所形成的上侧板面为呈弧形的弧形曲面。
5.根据权利要求4所述的超声速流动增混装置，其特征在于：第一股超声速气流在流动增混板的上方顺着流动增混板的长度方向经平板流向曲面板，经过曲面板的曲面时流动失稳会产生涡结构；由于曲面固有的离心不稳定性作用，涡结构在向曲面板的下游发展过程中发生二次不稳定，涡结构的强度显著增大；在曲面板的末端，充分发展的涡结构进入主流与超声速混合层结构相互作用，促使流动进一步失稳，由此提高混合效率。
6.根据权利要求4所述的超声速流动增混装置，其特征在于：曲面板沿超声速气流流向的长度为50mm以上；曲面板其末端与第一股超声速气流的流动方向相切，以使在曲面板的下游充分发展的涡结构平行进入超声速混合层流场；曲面板其曲面的偏转角为15°～30°；曲面的曲面半径R由以下关系式确定：
式中，Ue为第一股超声速气流的来流速度，θ为上侧入口的初始动量厚度，ν为运动粘性系数，G为涡结构数目。
7.根据权利要求6所述的超声速流动增混装置，其特征在于：上侧入口的初始动量动量厚度θ由下式确定：
式中，ρ1为第一股超声速气流的密度，U1和U2分别为第一、二股超声速气流的速度，ΔU为两股第一、二股超声速气流的速度差，ρy和Uy为两股超声速气流密度和速度在竖向的分布。
8.根据权利要求6所述的超声速流动增混装置，其特征在于：曲面板沿超声速气流流向的长度K＝60mm；曲面板其曲面的偏转角为19°；当涡结构数目G>9时，曲面的流场会完全失稳，因此曲面的曲面半径R＝185mm。
9.根据权利要求1所述的超声速流动增混装置，其特征在于：该装置设置在超声速发动机/火箭基组合循环发动机的燃烧室中，第一股超声速气流即从进气道进入的超声速的来流空气，第二股超声速气流即经燃气通道进入的超声速的富燃燃气，来流空气和富燃燃气在流动增混板的末端外实现增强混合。
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