結(jié)冰環(huán)境熱合成雙射流激勵(lì)器工作特性數(shù)值研究

王小偉, 張智慧, 王 嫻

(西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院, 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 陜西省先進(jìn)飛行器服役環(huán)境與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安 710049)

引言

飛行器結(jié)冰是一種常見(jiàn)的氣象危害現(xiàn)象[1-2]. 飛機(jī)結(jié)冰不僅增加飛機(jī)的負(fù)載, 還會(huì)改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形, 導(dǎo)致飛行器升力下降, 阻力上升, 嚴(yán)重影響飛機(jī)的操控性和飛行安全, 甚至?xí)斐娠w機(jī)墜毀等重大事故, 因此飛機(jī)必須配備防除冰系統(tǒng)[3-4]. 目前常用的防除冰技術(shù)有其固有的缺點(diǎn), 如化學(xué)防除冰技術(shù)對(duì)環(huán)境不友好, 機(jī)械防除冰和熱氣防除冰管線復(fù)雜, 增加飛行負(fù)載. 合成射流技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展[5-8], 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易于控制、 及零質(zhì)量射流的特點(diǎn), 為發(fā)展新一代防除冰技術(shù)提供了新的方法.

1992年佐治亞理工的Smith等[9]， Glezer等[10]首先發(fā)明了單腔合成射流器. 在此基礎(chǔ)上, 羅振兵等發(fā)明了單膜雙腔合成射流器[11-14], 實(shí)現(xiàn)了合成射流激勵(lì)器能量倍增, 同時(shí)解決了單腔激勵(lì)器振動(dòng)膜兩側(cè)壓力不匹配時(shí)壓潰的問(wèn)題, 拓展了激勵(lì)器的應(yīng)用范圍. 合成射流技術(shù)防除冰應(yīng)用方面, Nagappan等[15]首次提出結(jié)冰環(huán)境中, 在平板下布置成排合成射流激勵(lì)器進(jìn)行防除冰的方案, 并通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)不同結(jié)冰狀態(tài)下防除冰效果進(jìn)行研究, 給出合成射流激勵(lì)器針對(duì)平板的防除冰特性. 蔣浩等[16]采用Euler氣液兩相模型和Euler壁面液膜數(shù)值模型, 研究了低速來(lái)流條件下, 在內(nèi)部安裝熱合成雙射流激勵(lì)器的機(jī)翼前緣過(guò)冷液滴的撞擊特性. 結(jié)果表明, 合成雙射流激勵(lì)器的主動(dòng)控制, 阻擋了機(jī)翼前緣等積冰重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域內(nèi)的水滴撞擊, 從而大幅降低了這些區(qū)域的結(jié)冰強(qiáng)度. Jin等[17]建立了合成射流器除霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 對(duì)單個(gè)液滴的結(jié)冰過(guò)程, 以及合成射流激勵(lì)器除霜過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果表明合成射流激勵(lì)器在抑制結(jié)冰形成及除霜方面具有良好的效果. 楊升科等[18]提出一種電加熱與合成射流激勵(lì)器復(fù)合式防冰方法, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電加熱與合成射流復(fù)合防冰的性能. 結(jié)果表明復(fù)合式防冰系統(tǒng)在結(jié)冰氣象條件下, 不僅能夠保持機(jī)翼前緣不結(jié)冰, 還能消除機(jī)翼后表面的冰脊. 目前文獻(xiàn)大多局限于合成射流技術(shù)對(duì)于平板和機(jī)翼防除冰效果研究, 考慮的環(huán)境影響因素對(duì)激勵(lì)器特性影響比較單一, 缺乏結(jié)冰環(huán)境中各影響因素對(duì)激勵(lì)器工作特性綜合影響的研究.

文章采用數(shù)值模擬方法, 研究飛行結(jié)冰環(huán)境因素來(lái)流速度、 過(guò)冷液滴含量、 過(guò)冷液滴直徑對(duì)熱合成雙射流激勵(lì)器工作特性的影響, 獲得了激勵(lì)器在飛行結(jié)冰環(huán)境中工作特性變化規(guī)律, 為熱合成雙射流激勵(lì)器防冰裝置設(shè)計(jì)及防除冰實(shí)驗(yàn)研究提供參考.

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 物理問(wèn)題描述

本文建立如圖1所示的飛行結(jié)冰環(huán)境中熱合成雙射流激勵(lì)器物理模型. 包含加熱模塊的合成雙射流激勵(lì)器, 置于含過(guò)冷液滴的低溫流場(chǎng)中, 雙射流激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[12], 如表1所示. 激勵(lì)器振動(dòng)膜的往復(fù)振動(dòng), 對(duì)激勵(lì)器腔體周圍流體產(chǎn)生周期性交替吹吸的流動(dòng)擾動(dòng), 進(jìn)而產(chǎn)生零質(zhì)量射流. 整個(gè)過(guò)程無(wú)需引入額外流體源.

圖1 熱合成雙射流激勵(lì)器在結(jié)冰環(huán)境中工作物理模型

表1 雙射流激勵(lì)器結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)表[12]

1.2 計(jì)算模型

根據(jù)圖1所示物理模型, 建立雙射流激勵(lì)器計(jì)算模型如圖2所示, 計(jì)算模型為包含外部流場(chǎng)邊界的長(zhǎng)方形區(qū)域, 高h(yuǎn)=300 mm, 寬l=420 mm. 通過(guò)激勵(lì)器振動(dòng)膜邊界同時(shí)左右周期性位移, 模擬雙射流激勵(lì)器工作過(guò)程.

圖2 熱合成雙射流激勵(lì)器計(jì)算模型圖

同時(shí)為分析流場(chǎng)特征, 在計(jì)算域中設(shè)置以下監(jiān)測(cè)點(diǎn):A(-3.5, 1.5)，C(3.5, 1.5)，D(0, 6)，E(0, 10)，H(-12.5, -23)，I(12.5, -23), 其位置分布如圖3所示. 合成雙射流激勵(lì)器的左右腔分別命名為Q1,Q2腔. 以上各點(diǎn)以O(shè)(0, 0)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn).

圖3 熱合成雙射流激勵(lì)器出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.3 計(jì)算工況

本文研究了結(jié)冰環(huán)境因素中來(lái)流速度V∞, 平均液滴直徑MVD, 平均液滴含量LWC對(duì)激勵(lì)器流場(chǎng)特性及溫度分布特性的影響, 建立了3組對(duì)比工況, 工況參數(shù)如表2所示, 對(duì)于各工況, 加熱模塊的加熱功率P為8 W.

表2 工況計(jì)算參數(shù)表

1.4 數(shù)值方法

本文計(jì)算采用商業(yè)軟件FLUENT, 計(jì)算涉及連續(xù)相氣體流場(chǎng)及離散相液滴兩部分. 連續(xù)相氣體采用Euler方法, 求解N-S方程組, 采用PISO算法, 對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式離散, 擴(kuò)散項(xiàng)采用2階中心差分. 此外, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12], 激勵(lì)器內(nèi)部及出口處于湍流狀態(tài). 對(duì)于湍流模型的選擇, 楊升科等[18]對(duì)采用不同湍流模型模擬合成射流器流場(chǎng)的適用性進(jìn)行了研究, 證明SSTk-ω模型具有更好的準(zhǔn)確性, 因此本文選擇SSTk-ω模型, 離散相采用DPM模型, 對(duì)各粒子軌跡及能量交換進(jìn)行捕捉. 離散項(xiàng)控制方程如下:

液滴運(yùn)動(dòng)方程為

其中,τp為液滴的松弛時(shí)間

Re為相對(duì)Reynolds數(shù);up為液滴相的速度(m/s);u為連續(xù)相流體的速度(m/s);ρp為過(guò)冷液滴密度(kg/m3);F為外力項(xiàng), 包括過(guò)冷液滴所受重力、 Staffman升力;Cd為曳力系數(shù). 其中下標(biāo)p表示過(guò)冷液滴.

液滴換熱方程為

其中,mp為過(guò)冷液滴質(zhì)量(kg)；Tp為液滴相的局部溫度(K)；θR為連續(xù)相氣體表面溫度(K);TR為過(guò)冷液滴表面溫度(K);Cp為液滴比熱, 單位J/(kg·℃);Ap為液滴表面積(m2);h為對(duì)流換熱系數(shù), 單位W/(m2·K4);εp為粒子發(fā)射率;σ為Stefan Boltzmann常數(shù). 其中下標(biāo)R表示物理表面.

流場(chǎng)初始條件為, 初始速度U0=V0=0 m/s, 初始?jí)毫0=P∞=1.01×105Pa, 初始溫度T0=T∞=248 K; 激勵(lì)器固體壁面速度為0, 溫度恒定為674 K, 對(duì)液滴作用采用Reflect模型; 內(nèi)部加熱模塊采用恒功率加熱, 加熱功率為8 W, 腔體內(nèi)初始溫度為674 K.

模型上邊界為包含過(guò)冷液滴的來(lái)流入口邊界, 來(lái)流方向垂直上邊界向下, 入口溫度、 液滴濃度、 過(guò)冷液滴直徑等參數(shù)見(jiàn)表2. 下邊界為流場(chǎng)出口, 液滴在出口采用Escape模型, 即液滴到達(dá)底部邊界后被去除; 模型左右兩邊界為滑移壁面, 液滴采用Reflect模型, 即液滴到達(dá)左右邊界時(shí)反彈回流場(chǎng).

在激勵(lì)器振動(dòng)膜的兩側(cè), 采用UDF方式添加相同的位移邊界, 如下式[19]. 應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格方法, 實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器振動(dòng)膜在左右兩腔往復(fù)移動(dòng), 模擬合成雙射流器的工作狀態(tài). 振動(dòng)膜位移方程為

其中, 振動(dòng)膜振動(dòng)幅值Δ=0.7 mm, 單側(cè)振幅為0.35 mm; 振動(dòng)膜直徑D=46 mm; 振動(dòng)膜對(duì)液滴作用采用Reflect模型; 振動(dòng)膜頻率f=500 Hz,因此激勵(lì)器工作周期τ0=0.002 s.

1.5 網(wǎng)格生成

本文建立了如圖4所示的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)量3×105. 為了滿足湍流計(jì)算模型(SSTk-ω)對(duì)邊界層無(wú)量綱壁面距離y+<1的要求, 邊界層處第1層網(wǎng)格尺寸為5.5×10-6m. 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)且對(duì)動(dòng)網(wǎng)格方法具有較好的適應(yīng)性.

圖4 雙射流激勵(lì)器出口區(qū)域網(wǎng)格

2 數(shù)值驗(yàn)證

為保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性, 基于文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)器狀態(tài)參數(shù)(見(jiàn)表1), 對(duì)靜態(tài)流場(chǎng)中合成雙射流激勵(lì)器的工作過(guò)程進(jìn)行模擬, 將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較. 圖5為單個(gè)工作周期內(nèi), 雙射流激勵(lì)器出口A，C點(diǎn)的y方向速度分量V的值,τ0為單個(gè)工作周期.規(guī)定沿y軸正方向速度V為正.

(a) Velocity of point A

在速度變化趨勢(shì)基本符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上, 對(duì)兩出口總的動(dòng)量變化量作誤差分析, 檢測(cè)點(diǎn)A,C處數(shù)值計(jì)算總動(dòng)量值與實(shí)驗(yàn)獲得總動(dòng)量值的差ΔIA, ΔIC為

其中,IAi,ICi為監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬計(jì)算的總動(dòng)量值,IAe,ICe監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總動(dòng)量值,VAi為A點(diǎn)數(shù)值模擬得到的速度值,VAe為A點(diǎn)實(shí)驗(yàn)得到的速度值,VCi為C點(diǎn)數(shù)值模擬得到的速度值,VCe為C點(diǎn)實(shí)驗(yàn)得到的速度值,A,C點(diǎn)數(shù)值計(jì)算動(dòng)量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果總動(dòng)量的相對(duì)誤差ΔEA, ΔEAC為

3 計(jì)算結(jié)果及分析

壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后,工作特性呈現(xiàn)穩(wěn)定周期變化, 即達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài). 本小節(jié)均為激勵(lì)器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后的結(jié)果.

3.1 來(lái)流速度對(duì)激勵(lì)器工作特性的影響

3.1.1 不同來(lái)流速度下的流場(chǎng)特性

圖6為V∞=-3， -6, 10 m/s條件下,t=0.75τ0時(shí)刻的流線及壓力分布圖.τ0為單個(gè)工作周期,t=0.75τ0時(shí)激勵(lì)器左腔為射出流, 右腔為吸入流, 且速度值均達(dá)到最大. 當(dāng)來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí), 熱合成雙射流激勵(lì)器的射流及射流渦受到吸程腔體的負(fù)壓吸引, 向激勵(lì)器中心偏轉(zhuǎn), 在熱合成雙射流激勵(lì)器出口形成射流融合區(qū). 并且射流渦在合成射流融合區(qū)內(nèi)演化耗散, 不向激勵(lì)器兩側(cè)脫落, 雙射流激勵(lì)器兩側(cè)流場(chǎng)呈層流狀態(tài). 當(dāng)來(lái)流V∞=-6， -10 m/s 時(shí), 壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器兩腔的射流及射流渦由于來(lái)流的作用, 克服吸程腔體的負(fù)壓吸引, 向遠(yuǎn)離中心偏轉(zhuǎn), 沿著熱合成雙射流激勵(lì)器側(cè)壁脫落, 受外流場(chǎng)和側(cè)壁面的作用向下演化發(fā)展, 在熱合成雙射流激勵(lì)器兩側(cè)形成渦旋擾動(dòng)區(qū).

(a) V∞=-3 m/s

圖7為激勵(lì)器出口A,C兩點(diǎn)單個(gè)工作周期內(nèi)的速度值. 結(jié)果表明, 隨著來(lái)流速度的增大, 激勵(lì)器出口最大射流速度值逐漸減小, 而吸入的速度值逐漸增大.

(a) Velocity of point A

圖8為激勵(lì)器中線上D,E兩點(diǎn)單周期內(nèi)速度值. 當(dāng)來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí),D點(diǎn)位于出口合成射流融合區(qū)內(nèi), 由于受到融合區(qū)內(nèi)射流及旋渦的影響,D點(diǎn)的速度呈類正弦.E點(diǎn)處于融合區(qū)外, 其速度主要受到遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)流的影響, 速度基本不變. 當(dāng)來(lái)流V∞=-6, -10 m/s時(shí), 激勵(lì)器出口未形成合成射流融合區(qū),D,E點(diǎn)速度主要受遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)流的影響, 其速度基本不變.

(a) Velocity of point D

3.1.2 不同來(lái)流速度下的速度特性

圖9為在不同來(lái)流速度下,t=0.75τ0時(shí)刻熱合成雙射流激勵(lì)器溫度場(chǎng)云圖. 當(dāng)來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí), 由于在激勵(lì)器出口產(chǎn)生射流融合, 形成熱合成射流區(qū), 因此在激勵(lì)器前端產(chǎn)生溫度保護(hù)區(qū). 當(dāng)來(lái)流V∞=-6, -10 m/s時(shí), 射流渦遠(yuǎn)離激勵(lì)器中心線移動(dòng), 向兩側(cè)脫落, 激勵(lì)器兩側(cè)形成旋渦換熱區(qū), 兩側(cè)產(chǎn)生較大范圍加熱區(qū).

(a) V∞=-3 m/s

圖10 為不同來(lái)流速度下, 流場(chǎng)中A,D，I點(diǎn)的單周期內(nèi)溫度值, 當(dāng)V∞=-3 m/s時(shí),A點(diǎn)的溫度始終高于273 K, 說(shuō)明此時(shí)A點(diǎn)處于熱合成雙射流激勵(lì)器出口穩(wěn)定熱保護(hù)區(qū)內(nèi). 當(dāng)V∞=-6， -10 m/s時(shí),A點(diǎn)溫度在吹程時(shí)高于273 K, 處于加熱狀態(tài), 吸程時(shí)很快降至環(huán)境溫度, 說(shuō)明雙射流激勵(lì)器出口區(qū)未形成穩(wěn)定熱保護(hù)區(qū). 當(dāng)V∞=-3 m/s 時(shí),D點(diǎn)的溫度始終高于273 K, 此時(shí)D點(diǎn)處于熱合成雙射流激勵(lì)器出口熱保護(hù)區(qū)內(nèi). 當(dāng)V∞=-6, -10 m/s時(shí), 出口未形成熱保護(hù)區(qū), 且沒(méi)有被激勵(lì)器射流加熱, 所以D點(diǎn)的溫度始終為環(huán)境溫度248 K.

(a) Temperature of point A

在圖10所示的I點(diǎn)單周期內(nèi)溫度中, 由于當(dāng)V∞=-6, -10 m/s時(shí)射流渦脫落, 在熱合成雙射流激勵(lì)器兩側(cè)形成旋渦換熱區(qū), 此狀態(tài)I點(diǎn)的溫度大于V∞=-3 m/s時(shí)的溫度, 說(shuō)明此時(shí)激勵(lì)器射流主要加熱激勵(lì)器兩側(cè)的區(qū)域.

3.1.3 不同來(lái)流速度下的液滴分布特性

圖11為不同來(lái)流速度下,t=0.75τ0時(shí)刻流場(chǎng)過(guò)冷液滴質(zhì)量濃度CON(kg/m3)分布圖. 結(jié)果表明, 不同來(lái)流速度下, 在激勵(lì)器出口, 由于流體的減速效應(yīng), 會(huì)形成過(guò)冷液滴富集區(qū). 當(dāng)來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí), 由于激勵(lì)器出口形成合成射流及射流渦融合區(qū), 射流渦的擾動(dòng)使出口富集區(qū)液滴濃度呈現(xiàn)隨機(jī)分布. 當(dāng)來(lái)流V∞=-6, -10 m/s時(shí), 激勵(lì)器出口未形成射流融合, 液滴富集區(qū)內(nèi)過(guò)冷液滴的濃度, 從出口沿著射流方向逐漸增加, 同時(shí)在激勵(lì)器出口區(qū)域, 形成液滴進(jìn)出激勵(lì)器的通道, 此通道內(nèi)液滴含量相對(duì)較低.

(a) V∞=-3 m/s

圖12為流場(chǎng)中D點(diǎn)單周期內(nèi)液滴質(zhì)量濃度值, 來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí), 由于激勵(lì)器出口合成射流及射流渦融合區(qū)的存在, 使D點(diǎn)的液滴濃度較大, 且呈震蕩變化.V∞=-6, -10 m/s時(shí),D的液滴濃度基本恒定, 且小于V∞=-3 m/s時(shí)的值.

圖12 不同來(lái)流速度下流場(chǎng)中D點(diǎn)單周期內(nèi)液滴質(zhì)量濃度

激勵(lì)器工作時(shí), 流場(chǎng)中的液滴是否進(jìn)入激勵(lì)器腔體內(nèi)部, 是激勵(lì)器應(yīng)用時(shí)關(guān)注的重要問(wèn)題.

圖13為激勵(lì)器的腔體Q1內(nèi)單個(gè)周期液滴的總質(zhì)量濃度值, 來(lái)流V∞=-3 m/s時(shí), 由于射流融合區(qū)的阻隔作用, 使激勵(lì)器腔體內(nèi)的液滴濃度很小, 呈現(xiàn)震蕩變化, 周期內(nèi)液滴的總質(zhì)量濃度基本不變, 說(shuō)明進(jìn)入腔體內(nèi)過(guò)冷液滴與射出以及蒸發(fā)的過(guò)冷液滴量相等; 來(lái)流V∞=-6, -10 m/s時(shí)不存在射流融合區(qū)的情況下, 過(guò)冷液滴會(huì)不斷進(jìn)入腔體內(nèi), 隨著來(lái)流速度增加, 進(jìn)入腔體液滴質(zhì)量增加得越快.

圖13 不同來(lái)流速度下激勵(lì)器Q1腔體單周期內(nèi)總液滴質(zhì)量濃度

3.2 液滴直徑對(duì)激勵(lì)器工作特性的影響

3.2.1 不同液滴直徑下的速度特性

圖14， 15為不同液滴直徑下流場(chǎng)中各點(diǎn)單周期內(nèi)的速度圖. 結(jié)果表明, 環(huán)境中過(guò)冷液滴含量較低, 且液滴直徑較小, 液滴直徑對(duì)壓電式熱合成激勵(lì)器流場(chǎng)周期性速度輸出特性影響不大, 不同液滴直徑條件下各點(diǎn)的速度差值小于8%, 因此液滴含量對(duì)壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器流場(chǎng)速度特性的影響在實(shí)際防除冰的工程應(yīng)用中可以忽略不計(jì).

圖14 不同液滴直徑下流場(chǎng)中C點(diǎn)單周期內(nèi)速度

圖15 不同液滴直徑下流場(chǎng)中D點(diǎn)單周期內(nèi)速度

3.2.2 不同液滴直線下的溫度特性

圖16為激勵(lì)器出口C點(diǎn)的單周期內(nèi)溫度值, 相同液滴含量下, 過(guò)冷液滴被熱射流加熱時(shí), 環(huán)境中過(guò)冷液滴粒徑越小, 過(guò)冷液滴比表面積越大, 傳熱面積大, 過(guò)冷液滴吸熱更充分, 出口射流中過(guò)冷液滴蒸發(fā)帶走的熱量就越大, 導(dǎo)致激勵(lì)器出口射流溫度越低.

圖16 不同液滴直徑下流場(chǎng)中C點(diǎn)單周期內(nèi)溫度

圖17為激勵(lì)器側(cè)面H點(diǎn)的單周期內(nèi)溫度值, 不同液滴直徑下, 單周期內(nèi)H點(diǎn)溫度呈隨機(jī)變化. 分析原因, 激勵(lì)器兩側(cè)的溫度, 主要受渦旋流場(chǎng)對(duì)流換熱的影響, 而在旋渦場(chǎng)內(nèi), 過(guò)冷液滴運(yùn)動(dòng)由于旋渦流場(chǎng)的擾動(dòng)是不均勻且不規(guī)律的, 溫度呈不規(guī)律性.

圖17 不同液滴直徑下流場(chǎng)中H點(diǎn)單周期內(nèi)溫度

3.3 過(guò)冷液滴含量對(duì)激勵(lì)器工作特性的影響

由于環(huán)境中過(guò)冷液滴含量較低, 過(guò)冷液滴含量對(duì)壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器流場(chǎng)周期性速度輸出特性影響不大.

圖18為激勵(lì)器出口C點(diǎn)單周期內(nèi)的溫度圖, 隨著環(huán)境中過(guò)冷液滴含量增加, 激勵(lì)器出口射流溫度逐漸變小. 其主要原因是, 隨著環(huán)境中過(guò)冷液滴濃度增加, 出口射流中由于過(guò)冷液滴的蒸發(fā)帶走的熱量增大, 射流溫度降低.

圖18 不同液滴含量下流場(chǎng)中C點(diǎn)單周期內(nèi)溫度

圖19為激勵(lì)器側(cè)面H點(diǎn)單周期內(nèi)的溫度圖, 結(jié)果說(shuō)明不同液滴含量下, 單周期內(nèi)H點(diǎn)溫度呈隨機(jī)變化, 沒(méi)有十分明顯的規(guī)律, 其原因是, 激勵(lì)器兩側(cè)的溫度, 主要受旋渦流場(chǎng)對(duì)流換熱的影響, 而在旋渦場(chǎng)內(nèi), 過(guò)冷液滴分布由于旋渦的擾動(dòng)是不均勻的, 因此過(guò)冷液滴含量對(duì)激勵(lì)器側(cè)面熱保護(hù)區(qū)內(nèi)的溫度分布呈隨機(jī)性變化.

圖19 不同液滴含量下流場(chǎng)中H點(diǎn)單周期內(nèi)溫度

4 結(jié)論

本文研究了飛行結(jié)冰環(huán)境條件下, 壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器工作特性, 獲得了結(jié)冰環(huán)境因素對(duì)壓電式熱合成雙射流激勵(lì)器出口射流速度、 溫度等性能的影響規(guī)律, 主要結(jié)論如下:

(1)來(lái)流速度較小時(shí), 雙射流激勵(lì)器出口形成射流融合區(qū)及熱保護(hù)區(qū), 阻隔環(huán)境中過(guò)冷液滴進(jìn)入激勵(lì)器腔體. 來(lái)流速度較大時(shí), 射流渦向激勵(lì)器兩側(cè)脫落, 在激勵(lì)器兩側(cè)形成擾動(dòng)加熱區(qū), 液滴會(huì)不斷進(jìn)入激勵(lì)器腔體.

(2)當(dāng)雙射流激勵(lì)器出口存在射流融合區(qū)時(shí), 進(jìn)出激勵(lì)器腔體內(nèi)的過(guò)冷液滴最終達(dá)到平衡狀態(tài), 腔體內(nèi)液滴質(zhì)量濃度不再增加. 當(dāng)雙射流激勵(lì)器出口未形成合成射流融合區(qū)時(shí), 隨著來(lái)流速度增加, 進(jìn)入激勵(lì)器腔體內(nèi)液滴總質(zhì)量越大.

(3)過(guò)冷液滴直徑、 過(guò)冷液滴含量對(duì)雙射流激勵(lì)器的速度特性影響不大. 隨過(guò)冷液滴直徑減小, 及冷液滴含量增加, 液滴蒸發(fā)吸收的熱量增加, 激勵(lì)器出口射流溫度降低.