CN109253470A - 超声速混合增强装置 - Google Patents

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吕良
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

超声速混合增强装置，包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的混合增强板，混合增强板的上侧板面上设置有由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔，凹腔之后直至混合增强板末端的一段混合增强板称为震荡板；混合增强板其中：混合增强板上方为供第一股超声速气流流过的第一超声速流道，混合增强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混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第二超声速气流在混合增强板的下方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第一股超声速气流和第二股超声速气流在混合增强板的末端外实现增强混合。本发明利用超声速气流本身的能量，达到主动混合增强的效果。

Description

超声速混合增强装置
技术领域
本发明涉及航空航天领域的混合增强装置，尤其涉及一种利用自激震荡进行超声速混合增强的装置。
背景技术
在航空航天发动机中，广泛涉及到两股气流进行混合的情况。例如在涡扇发动机的加力燃烧室中，需要中心燃气与外涵空气进行混合。在火箭基组合循环发动机的燃烧室中，需要火箭燃气与冲压空气进行混合。高效混合是提高这类发动机性能的关键技术之一，有两种增强混合的方式：被动混合增强和主动混合增强。
被动混合增强技术依靠流道或者隔板的形状变化诱导产生不稳定涡结构，实现混合增强。典型的被动混合增强装置有波瓣、三角翼、凸片等。论文(Knowles K.,SaddingtonA J.A review of jet mixing enhancement for aircraft propulsionapplications.PIME Part G Journal of Aerospace Engineering,2006,220(2):103-127)给出了一种用于航空发动机出口的波瓣混合器，如图1所示。图1是波瓣式被动混合增强装置，内层燃气和外层空气通过波瓣进行混合。在亚声速条件下，与普通的轴对称圆形出口的喷管相比，波瓣混流器可以将掺混效果提高两倍。
主动混合增强是指通过施加外部主动激励，激发流动不稳定性，对流场中的涡结构进行调制，达到增强不同流体之间混合的目的。激励的频率、幅值和位置对混合层增长特性有重要影响。根据激励方式的不同，可以分为结构扰动、等离子体、合成射流等主动混合增强措施。论文(Freeman P.,Catrakis J.Active control of mixing in turbulentseparated shear layers and effects of forcing on the fractal geometry ofscalar interfaces.Journal of Turbulence,2009,10(32):1-19)将介质阻挡放电等离子体气体激励应用到低速不可压湍流混合层的流动控制中，用交变电流脉冲和纳秒级脉冲高压下的等离子体实现流动控制，获得了较高的混合层增长率，如图2所示。图2是采用等离子激励的主动混合增强措施，上层是空气1，下层是富燃燃气2，二者通过基板4隔开；高压紫铜电极7和接地紫铜电极3之间通过放电介质5隔开；当在高压紫铜电极7上施加交变电流时，会激发放电介质5生成等离子体6；脉动的等离子体6使得空气1的能量发生震荡，从而增加了混合。
但是，上述两类混合增强装置均难以在超声速气流中实用。被动混合增强一是由于产生了激波等原因，流动阻力大；二是由于超声速强可压缩性抑制了混合层增长，混合增强效率低。主动混合增强一是由于需要外加激励装置，结构复杂，且难以实际安装；二是其激励的频率和幅值基本固定，适应性差。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种超声速混合增强装置。本发明利用超声速气流经过凹腔时会出现自发不稳定，该不稳定压力导致其后的平板出现震荡。也就是利用超声速气流本身的能量，达到主动混合增强的效果。本发明具有结构简单、混合效率高的优点。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种超声速混合增强装置，该装置包括设置在两股超声速气流的超声速流道之间的混合增强板，混合增强板的上侧板面上设置有由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔，凹腔之后直至混合增强板末端的一段混合增强板称为震荡板；其中：混合增强板上方为供第一股超声速气流流过的第一超声速流道，混合增强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混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第二超声速气流在混合增强板的下方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第一股超声速气流和第二股超声速气流在混合增强板的末端外实现增强混合。其中混合增强板的上侧板面基本平行于第一股超声速气流流向，平板的下侧板面基本平行于第二超声速气流。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混合增强板的末端外实现增强混合。
所述凹腔是由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔，凹腔的长度方向平行于混合增强板的长度方向。在混合增强板的长度方向，凹腔具有凹腔前壁和凹腔后壁，其中凹腔的长度即凹腔前壁和凹腔后壁之间的距离。第一股超声速气流(如超声速的来流空气)从混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流入，经混合增强板的上侧板面上设置的凹腔时，第一股超声速气流(如超声速的来流空气)碰撞凹腔后壁，并与凹腔本身的声学特征频率相耦合，第一股超声速气流(如超声速的来流空气)将出现较大幅度的压力波动；这种压力波动作用在凹腔之后的混合增强板即震荡板上，致使震荡板出现震荡，该震荡有力促进了第一股超声速气流和第二股超声速气流的混合，即在混合增强板的末端外实现增强混合，而且这种增强混合的方式是不需要外加能源的。
进一步地，为保持其声学震荡特征，所述凹腔是由上侧板面垂直向下侧板面凹进的凹腔，也即凹腔的下凹方向垂直于来流空气的流动方向。凹腔的下凹深度即混合增强板的上侧面板与凹腔底壁之间的垂直距离，凹腔的底壁厚度即混合增强板的厚度减去凹腔的下凹深度。凹腔的长(长度)深(下凹深度)比为一般选取为2～5，优选为4。凹腔的底壁厚度决定了结构单位厚度上的弹性系数k，凹腔的底壁厚度一般选取为1～3mm，优选为2mm。
混合增强板一般为方形平板，凹腔前壁至混合增强板末端之间的距离为混合增强板的混合增强有效距离，设混合增强有效距离的长度为l，长度l由如下关系式确定：
其中，ρ为混合增强板所采用材料的密度，h为混合增强板的厚度，f为设计的混合增强板的震荡频率，该震荡频率一般选取为200～1000赫兹。该震荡频率与来流空气流动速度相关，速度越快，震荡频率设计得越大。
为确保在反复震荡下的结构可靠性，凹腔和混合增强板应一体化加工，并选择抗疲劳强度好的材料制作带凹腔的混合增强板，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：
本发明通过利用超声速气流流过凹腔时的不稳定性，使平板发生自激震荡，从而增强了混合。与无震荡相比，混合效率提高了50％。
附图说明
图1是波瓣式被动混合增强装置；
图2是采用等离子激励的主动混合增强措施；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明的应用示意图；
图5是本发明的混合增强效果图。
附图标记：
1.来流空气；
2.富燃燃气；
3.紫铜电极(接地)；
4.基板；
5.放电介质；
6.等离子体；
7.紫铜电极(接高压电)；
8.固定支点；
9.凹腔前壁；
10.凹腔后壁；
11.震荡板；
12.震荡板震荡方式示意；
13.常规平板(不带凹腔)下的混合层厚度曲线；
14.应用本发明(带凹腔的混合增强板)后的混合层厚度曲线；
15.混合增强板；
16.凹腔；
17.燃气外壁；
18.空气外壁；
19.凹腔底壁。
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。
图3是本发明的结构示意图。超声速混合增强装置设置在燃烧室中，混合增强板15通过固定支点8固定支撑在进气道与燃气通道之间。混合增强板15上方为供超声速的来流空气1流过的进气道，混合增强板15下方为供超声速的富燃燃气2流过的燃气通道。
混合增强板15的上侧板面上设置有由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔16，凹腔16之后直至混合增强板末端的一段混合增强板称为震荡板11。来流空气1在混合增强板15的上方顺着混合增强板15的长度方向流向混合增强板15的末端，富燃燃气2在混合增强板15的下方顺着混合增强板15的长度方向流向混合增强板15的末端。来流空气1和富燃燃气2在混合增强板15的末端外实现增强混合。
混合增强板15为方形平板，采用55Si2Mn等合金弹簧钢制作且一体成型。混合增强板15的上侧板面平行于来流空气1的流向，混合增强板15的下侧板面平行于富燃燃气2的流向。如图3所示，上层的来流空气1以及下层的富燃燃气2均是向右水平流动。
所述凹腔16是由上侧板面垂直向下侧板面凹进的凹腔，也即凹腔的下凹方向垂直于来流空气的流动方向。凹腔16的长度方向平行于混合增强板15的长度方向。在混合增强板15的长度方向，凹腔16具有凹腔前壁9和凹腔后壁10，其中凹腔16的长度即凹腔前壁9和凹腔后壁10之间的距离。凹腔16的下凹深度即混合增强板15的上侧面板与凹腔底壁19之间的垂直距离，凹腔的底壁厚度即混合增强板15的厚度减去凹腔的下凹深度；凹腔的长深比即凹腔的长度与凹腔的下凹深度间的比值。本实施例中凹腔16的下凹深度为3mm，凹腔16的长度为12mm，凹腔的底壁厚度为2mm。
参照图4为本发明的应用示意图。将本发明装置应用到超声速发动机/火箭基组合循环发动机的燃烧室中。需要混合的是从进气道进入的超声速的来流空气和经燃气通道进入的超声速的富燃燃气。
带有型面的燃气外壁17与混合增强板15形成了超声速燃气通道；带有型面的空气外壁18与混合增强板15形成空气通道。在混合增强板15的长度方向，凹腔16具有凹腔前壁9和凹腔后壁10。由于该凹腔存在，超声速气流将发生流动不稳定性，该不稳定的压力作用在凹腔底壁19和震荡板11上，震荡板11将出现的上下震荡。
上层的来流空气1从混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流入，经混合增强板15的上侧板面上设置的凹腔16时，来流空气1碰撞凹腔后壁10，并与凹腔本身的声学特征频率相耦合，来流空气1将出现较大幅度的压力波动；这种压力波动作用在凹腔16之后的混合增强板即震荡板11上，致使震荡板11出现震荡(参照图3中的标号12)，该震荡有力促进了来流空气1和富燃燃气2的混合，即在混合增强板的末端外实现增强混合，而且不需要外加能源；
图5是本发明的混合增强效果图，横坐标是轴向距离，纵坐标是混合层厚度，图中，13是常规平板下的混合层厚度，14是应用本发明后的混合层厚度，可以看到，厚度增加了50％。
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 (10)

1.超声速混合增强装置，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混合增强板，混合增强板的上侧板面上设置有由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔，凹腔之后直至混合增强板末端的一段混合增强板称为震荡板；混合增强板其中：混合增强板上方为供第一股超声速气流流过的第一超声速流道，混合增强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混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第二超声速气流在混合增强板的下方顺着混合增强板的长度方向流向混合增强板的末端，第一股超声速气流和第二股超声速气流在混合增强板的末端外实现增强混合。
2.根据权利要求1所述的超声速混合增强装置，其特征在于：混合增强板的上侧板面平行于第一股超声速气流流向，平板的下侧板面平行于第二超声速气流。
3.根据权利要求1或2所述的超声速混合增强装置，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混合增强板的末端外实现增强混合。
4.根据权利要求1所述的超声速混合增强装置，其特征在于：第一股超声速气流从混合增强板的上方顺着混合增强板的长度方向流入，经混合增强板的上侧板面上设置的凹腔时，第一股超声速气流碰撞凹腔后壁，并与凹腔本身的声学特征频率相耦合，第一股超声速气流将出现较大幅度的压力波动；这种压力波动作用在凹腔之后的混合增强板即震荡板上，致使震荡板出现震荡，该震荡有力促进了第一股超声速气流和第二股超声速气流的混合，即在混合增强板的末端外实现增强混合。
5.根据权利要求1所述的超声速混合增强装置，其特征在于：所述凹腔是由上侧板面向下侧板面凹进的凹腔，凹腔的长度方向平行于混合增强板的长度方向；在混合增强板的长度方向，凹腔具有凹腔前壁和凹腔后壁，其中凹腔的长度即凹腔前壁和凹腔后壁之间的距离。
6.根据权利要求5所述的超声速混合增强装置，其特征在于：所述凹腔是由上侧板面垂直向下侧板面凹进的凹腔，也即凹腔的下凹方向垂直于来流空气的流动方向。
7.根据权利要求6所述的超声速混合增强装置，其特征在于：凹腔的下凹深度即混合增强板的上侧面板与凹腔底壁之间的垂直距离，凹腔的底壁厚度即混合增强板的厚度减去凹腔的下凹深度；凹腔的长深比即凹腔的长度与凹腔的下凹深度间的比值选取为2～5；凹腔的底壁厚度决定了结构单位厚度上的弹性系数k，凹腔的底壁厚度选取为1～3mm。
8.根据权利要求7所述的超声速混合增强装置，其特征在于：凹腔的长深比为4；凹腔的底壁厚度为为2mm。
9.根据权利要求7所述的超声速混合增强装置，其特征在于：混合增强板为方形平板，凹腔前壁至混合增强板末端之间的距离为混合增强板的混合增强有效距离，设混合增强有效距离的长度为l，长度l由如下关系式确定：
其中，ρ为混合增强板所采用材料的密度，h为混合增强板的厚度，f为设计的混合增强板的震荡频率，该震荡频率选取为200～1000赫兹。
10.根据权利要求1所述的超声速混合增强装置，其特征在于：所述混合增强板为一体成型的整体结构，混合增强板的材质为55Si2Mn等合金弹簧钢。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190122

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