高速氣流中的主動橫向射流特征數值模擬

代 威,周 萍,廖傳軍,王柏森

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076;2.北京航空航天大學 航空發(fā)動機研究院航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室, 北京 100083)

0 引言

隨著新一代大型民航客機、載人航天飛行器氣動控制和超燃沖壓發(fā)動機等工程應用需求的不斷增強,橫向射流主動流動控制技術的研究日益受到關注[1]。近幾十年來對橫向射流與超聲速來流的干擾流動特性及在飛行控制中的應用研究已取得了大量成果,并被廣泛應用于航空航天飛行器上[2-5]。另一方面,射流與主流干擾又可引起嚴重的氣動耦合問題[6]。因此,對橫向射流的流動、傳熱和傳質研究具有重要的理論和實際意義。

學者們對超聲速來流條件下橫向射流流場結構進行了大量的仿真和實驗研究。Karagozian等[7]和Mahesh等[8]對該研究進行了總結。當射流噴射進入橫側氣流中會向流動方向彎曲,而射流彎曲后會卷吸周圍流體進入到射流內部,由于橫向射流的渦團拉伸作用,流動結構產生了環(huán)形渦、馬蹄渦、對轉渦、尾跡渦等。在超聲速來流中氣態(tài)橫向射流流場結構方面,Morkovin等[9]最早對超聲條件下氣態(tài)橫向射流進行研究,并于1952年利用紋影和壁面壓力測量等實驗手段研究了其流場機理。Dickmann等[10]詳細給出了平板射流中激波-邊界層對射流流場的影響規(guī)律。Santiago等[11]在實驗中測得該流場的速度分布,得出速度場及湍流脈動能量等值線圖。Portz等[12]總結了射流穿透深度規(guī)律。

對于超聲速來流中氣態(tài)橫向射流摻混機理方面,Ben-Yakar等[13]揭示了超聲速條件下氣態(tài)橫向射流流場中渦結構分布及其變化規(guī)律,但是很難講清楚射流燃料摻混的內在機理。大量研究人員致力于燃料噴注混合定量化研究。Gamba等[14]通過冷流燃料噴注實驗研究了射流流場中燃料的噴注混合機理,孫明波等[15]通過NPLS 實驗并結合數值仿真方法擬合了超聲速來流條件下聲速氣態(tài)橫向射流的穿透深度規(guī)律。

對于噴流控制力方面,國內外對此已經有了比較多的研究[16-20],但大部分研究只在大氣環(huán)境下進行,而對極稀薄環(huán)境或攻角改變時的流場結構尤其是側向控制力的變化規(guī)律關注不夠[17,20],并缺乏細致的分析研究,對此需要開展進一步的研究。如何有效掌握不同工況下的橫向射流流動特征并控制其傳熱特性,對于航空航天飛行器控制具有重要意義。

本文中將從橫向射流應用角度出發(fā),采用數值仿真的方法,對極稀薄環(huán)境超聲速條件下橫向射流進行研究,探究不同射流的壓力、溫度、速度、角度和主流速度、環(huán)境壓力條件下流動、壓力和溫度的耦合特征,并能夠直觀反映射流作用控制力實際作用效果,從而為射流在姿態(tài)控制作用力中的應用提供重要參考。

1 模擬方法

采用雷諾平均方法對高速流動進行數值模擬。需求解的可壓縮時均方程組包括動量控制方程、能量控制方程和連續(xù)性方程,湍流模型選用SSTk-ω模型。使用有限體積方法對可壓縮控制方程進行離散求解。氣體密度由理想氣體狀態(tài)方程決定,熱傳導系數和黏性系數分別由Eucken模型和Lennard-Jones模型計算,熱容和焓值與溫度的關系由NIST-JANAF多項式決定。對于噴口邊界條件,依據噴口邊界條件設置研究結果進行設置[21],如圖1所示,當總溫、總壓一致時,對于噴口的處理無論是將面定義為噴口,還是從喉道開始計算等,其對外流場產生的影響均基本一致。

圖1 不同噴流邊界位置噴流流場

為了簡化模型并且避免引入過多的影響因素,本文采用圖1(a)噴口類型的邊界條件,并賦予出口靜壓、速度以及溫度,選取平板在高速條件下開展計算,坐標系定義示意圖如圖2所示,平板及計算網格如圖3所示。流體域經簡化后,可使用結構化六面體網格離散,總網格數量為210萬。射流孔徑10 mm,由20個網格離散,可保證足夠的離散精度并達到數值收斂。

圖2 坐標系定義示意圖

圖3 計算網格

橫向射流一般采用動壓比J作為研究射流流場流動與摻混的重要參數,為射流動壓與來流氣體動壓之比,具體表達式為J=ρjUj2/ρ∞U∞2,其中ρj為射流氣體密度,uj為射流氣體速度,u∞為來流氣體速度,ρ∞為來流氣體密度,大量研究表明,動壓比是影響射流流場結構的關鍵參數[22-25]。為研究高速條件下射流與主流的力熱耦合機制,通過改變平板射流的特性參數和環(huán)境參數(如表1所示),分析極稀薄環(huán)境高速條件下采用不同噴射條件的氣動力熱變化及受力情況。

表1 平板射流特性仿真模擬工況

2 結果與討論

圖4所示為基準工況1射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖,表現出橫向射流的典型特征,射流噴口處是流場中壓力最高的位置,壓力明顯高于流場中其他位置;射流上游,射流與主流耦合處也呈現局部高壓力特征。在溫度云圖中,射流與主流耦合處流場總溫最高。圖4中流線表明在射流噴口處形成旋渦,主流沿流動方向形成順時針的旋渦,射流流動形成逆時針的旋渦,主流與射流耦合處流線密集,速度梯度大,匯合后會形成強動量耗散,并向后方流動。射流所產生的反作用力仿真計算結果為260.8 N,可作為與其他工況對比的基準。

針對基準工況1研究橫向來流不同剖面的壓力和溫度數據。圖5所示為射流孔中心剖面(z=0.125)下不同軸向距離的壓力和溫度隨y軸的變化。從圖5中可以看出,由于射流噴口處壓力較高,遠大于來流壓力,噴口處x=0.32位置壓力會急劇升高,明顯高于其他剖線處的壓力。在遠離噴口的位置,如x=0.20的位置處,壓力低于x=0.25、x=0.30的位置,原因是x=0.20處射流與主流尚未耦合,此時壓力高低由來流壓力決定。在x=0.25、x=0.30位置附近壓力升高,原因是射流與主流發(fā)生耦合作用,射流的壓力遠高于來流,壓力沿y方向變化的規(guī)律與射流與主流耦合的軌跡相關。在射流噴口后方x=0.35位置處,射流與主流耦合完畢,壓力又再次降低。溫度T在不同剖線上沿y坐標的變化規(guī)律與壓力P相似,在射流與主流耦合前,流場性質主要由來流決定,在x=0.25、x=0.30附近,射流與主流發(fā)生耦合,此后流場中溫度顯著升高。

圖5 基準工況1射流孔中心剖面各剖線靜壓和靜溫沿徑向變化曲線

圖6為不同射流壓力工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖,隨著射流壓力由2 MPa提高至7.5 MPa,動壓比J增大了3倍以上,射流穿透深度明顯增強,對主流流場徑向上影響更遠,且對近壁面渦系抑制較強,氣流被壓縮后隨射流匯入耦合面,回流區(qū)被壓縮更小。射流摻混所產生的溫度場變化比壓力場變化更加明顯,耦合面溫度升高并前移。當射流壓力從7.5 MPa提高至10 MPa時,動壓比J增大1倍以上,流場壓力和溫度總體變化不明顯,同時可以觀察到射流上有渦結構被進一步壓縮,符合預期。工況2和工況3的射流孔反作用力為2 896.4 N和5 513.6 N,隨著射流壓力和流量的增大,射流反作用力逐漸變大,且當壓力大于7.5 MPa后作用力提升幅度明顯增加,10 MPa相對于7.5 MPa的作用力可增加約1倍。

圖6 不同射流壓力工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖

圖7為不同射流溫度工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖,流場中溫度云圖分布發(fā)生變化,壓力云圖變化相對不顯著。隨溫度改變,流場中旋渦運動也發(fā)生改變。隨著射流溫度升高,射流密度變小,射流速度提高,動壓比從3 333提高到6 000,導致穿透深度增大,使主流向射流孔方向流動加劇,耦合面溫度略升高。隨著射流溫度從250 K增加到450 K,射流孔反作用力由2 512.2 N逐漸提高至4 049.7 N,隨著溫度升高,射流速度增大的使動壓比明顯提高,射流作用力也隨之明顯提高。

圖7 不同射流溫度工況下射流與主流耦合靜壓和靜溫云圖

圖8所示為不同主流環(huán)境下射流與主流耦合的靜壓云圖與靜溫云圖。從圖8中可以看出,環(huán)境壓力對壓力和溫度分布影響顯著。隨著環(huán)境壓力降低,主流流速變小,射流與主流耦合位置向前移動,主流形成的旋渦尺寸減小,旋渦中心也向前移動,導致流場中溫度云圖分布發(fā)生顯著改變,高溫區(qū)隨耦合位置前移。不同主流環(huán)境下的射流孔反作用力分別為863.8、863.9和863.9 N,說明在極稀薄環(huán)境對于射流反作用力的影響基本可以忽略,反作用力基本恒定。

圖8 不同主流環(huán)境下射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖

圖9所示為不同射流角度下射流與主流耦合的靜壓云圖與靜溫云圖,從圖9中可以看出射流角度的改變主要對射流與主流耦合的位置及耦合位置附近旋渦分布產生影響。射流以非垂直射入,增強來流和射流剪切作用,使流場中旋渦更復雜,旋渦數量更多,旋渦相互作用更顯著。2種射流角度下的反作用力都為863.8 N,說明在小射流角度改變不會對反作用力產生較大影響,射流規(guī)律適用于小尺度傾斜平面應用。

圖9 不同射流角度時射流與主流耦合下的靜壓和靜溫云圖

3 結論

本文中采用數值模擬方法,對超聲速條件下橫向射流特征進行研究,探究不同射流的壓力、溫度、速度、角度和主流速度、環(huán)境壓力等變量對射流特征的影響規(guī)律,主要得到以下結論:

1) 動壓比隨射流壓力增大而提高,射流穿透深度明顯增大,對主流流場徑向上影響更遠,且對近壁面渦系抑制較強,氣流被壓縮后隨射流匯入耦合面,回流區(qū)被壓縮更小。射流摻混所產生的溫度場變化比壓力場變化更加明顯,耦合面溫度升高并前移。

2) 射流溫度變化時流場中溫度云圖分布發(fā)生變化,流場中旋渦運動也發(fā)生改變,壓力云圖變化不顯著。隨著射流溫度升高,穿透深度增大,使主流向射流孔方向流動加劇,耦合面溫度略升高。

3) 隨著環(huán)境壓力降低,主流流速變小,射流與主流耦合位置向前移動,主流形成的旋渦尺寸減小,旋渦中心也向前移動。由于射流與主流耦合位置向前移動,導致流場中溫度云圖分布發(fā)生顯著改變,高溫區(qū)隨耦合位置前移發(fā)生改變。

4) 射流角度的改變主要對射流與主流耦合的位置及耦合位置附近旋渦分布產生影響。在射流非垂直射入的條件下,流場中旋渦更復雜,旋渦數量更多、旋渦相互作用更顯著。

5) 射流壓力和溫度對于動壓比的提高很明顯,壓力和溫度的升高可明顯提高射流反作用力,通過靈活調節(jié)壓力和溫度可實現不同反作用力。而不同主流環(huán)境與射流角度對于反作用力的影響基本可忽略。