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可压缩气固两相湍流边界层/射流的直接数值模拟研究

肖威  
【摘要】:超声速燃烧冲压式发动机(超燃冲压发动机,Scramjet)是高超声速飞行器的核心组件,在国防、航空航天领域具有着十分广泛且重要的应用。基于固体燃料的超燃冲压发动机(solid fuel scramjet,SFSCRJ)因其安全性好、操作简便、反应快速等优点,近年来受到各国持续深入研究。在SFSCRJ中包含可压缩湍流-壁面-横向射流-激波-颗粒群相互作用的复杂多尺度、多物理耦合可压缩两相流动问题。对这些问题开展研究有助于加深对SFSCRJ的理解认识,进而提高发动机稳定性和效率。因此,本文建立了适用于研究可压缩两相湍流的直接数值模拟平台,并对可压缩两相湍流边界层、可压缩两相横向射流和激波-全尺度颗粒群相互作用进行了研究,旨在揭示SFSCRJ内的可压缩湍流-壁面-横向射流-激波-颗粒群间相互作用机理,希望可以为固体燃料超燃冲压发动机的设计与研究提供一定的参考。本文首先采用拉格朗日点源方法对可压缩两相平板湍流边界层中的颗粒弥散、运动特性和选择性富集进行了研究,并对相关机理进行了深入分析。研究发现,颗粒在近壁面喷射作用的影响下富集于低流向速度区域并形成了颗粒条带结构。颗粒的平均数密度在近壁面区域存在一个极小值,当采用这一极小值进行归一化后可以得到颗粒数密度的自相似分布规律。大颗粒更容易受到湍泳力作用的影响,且有更强烈的优先富集趋势,进而导致更多大颗粒富集于近壁面区域,同时大颗粒的滑移速度要明显大于小颗粒。受壁面影响,颗粒在缓冲层中富集于高涡量区域中,这不同于非壁湍流中的现象。进一步发现一种新的基于局部流场密度的颗粒选择性富集机理:大颗粒在边界层内层富集于低密度区域、外层富集于高密度区域;而小颗粒在内层和外层均富集于低密度区域。通过这一发现,分析颗粒涨压方程并揭示了其选择性富集的机理。接着,本文继续对可压缩两相横向射流中的颗粒弥散和湍流调制现象进行了研究。结果表明,大颗粒主要分布于射流中心线迎风侧的大尺度剪切层结构的周围,而小颗粒能沿径向输运至前、后回流区,并广泛分布于剪切层和边界层结构内,且易受到流向涡的影响。颗粒使得展向中心平面附近射流下游的边界层厚度恢复延迟,增加了壁面摩擦阻力系数的震荡,提高了边界层厚度和最大壁面摩擦阻力系数。射流轨迹受大颗粒影响被降低,而被小颗粒抬升。展向中心平面上,颗粒还增加了射流下游近壁面流体平均法向速度,降低了远离壁面处的平均流向和法向速度。颗粒对激波锋面附近的湍流脉动影响较为显著,降低了迎风面桶形激波和弓形激波的湍流脉动,增强了背风面桶形激波的湍流脉动且提高了弓形激波的法向高度。在激波锋面以外的位置,小颗粒增强了流体的雷诺应力,而大颗粒则削弱了流体的湍动能。最后,本文研究了平面激波与含有300个全尺度颗粒的颗粒群的相互作用,其中颗粒相的捕捉基于虚拟点内嵌边界方法。我们对四种入射激波马赫数下的激波结构、颗粒瞬时与峰值阻力系数、升力系数与流场脉动等问题进行了对比分析。模拟结果表明,颗粒反射激波会汇聚成平面激波,其传播速度随入射激波马赫数上升而下降;穿透激波传播速度同理,且激波锋面随马赫数升高而更加弯折。颗粒群内的单个颗粒峰值阻力系数沿流向线性减小,其与线性拟合公式结果之差可由高斯分布描述。单个颗粒升力系数会发生剧烈震荡,且随着马赫数的升高,升力系数能够达到与阻力系数同一数量级,因此研究高马赫数、高体积分数的激波-颗粒群相互作用时,颗粒横向受力不可忽略。入射激波马赫数的提高还会增加流体湍动能占平均动能的比例。通过对比NS求解器和欧拉求解器得到的主要结果,发现模拟时间较长时欧拉求解器会由于缺乏粘性耗散而增大颗粒受力脉动、提高流场湍动能,因此采用NS求解器是必要的。


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