潛入式噴管背區空腔對壓強振蕩及旋渦運動影響的實驗研究①

吳亞可,何國強,劉佩進,陳曉龍,肖 波,岳 赟

(西北工業大學燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室,西安 710072)

0 引言

固體火箭發動機中的不穩定燃燒表現為燃燒室中出現了強烈的壓強振蕩。引起壓強振蕩的因素眾多,噴管的阻尼效應是影響發動機穩定性的重要因素之一[1]。因發射方式的靈活性、機動性和導彈尺寸的限制,使得潛入式噴管成為發動機設計者的首選。對于大型分段式固體火箭發動機,隨著推進劑燃燒的進行,一方面是段間阻燃層將突起在主流中,形成障礙渦脫落,另一方面,潛入段周圍的藥柱逐漸消失,潛入式噴管背區空腔的體積也逐漸增大。在法國POP計劃中,Ariane5的縮比尺寸熱實驗LP9的結果顯示,當使用潛入式噴管后,發動機由穩定變得不穩定[2]。通過線性理論推導,Janardan和Zinn證明了潛入式噴管所引入的空腔中的“回轉”流動降低了噴管的有效阻尼[3]。渦脫落作為壓強振蕩潛在的觸發因素之一,當渦脫落的頻率與燃燒室聲場的某階固有頻率一致時,將引起共振,從而導致壓強振蕩,這是Flandro和Jacobs首次提出的[4]。然而,Culick卻認為,旋渦撞擊下游障礙物(大型分段式發動機的下游絕熱環或者潛入式噴管潛入段等)時,很容易引起共振[5]。聲/渦耦合作用顯示,渦撞擊潛入式噴管潛入段產生了聲,即噴管與主流之間的相互作用可能會對壓力振蕩產生影響[6],VKI的Anthoine在此方面研究較多[7-9]。研究認為,潛入式噴管空腔體積與壓力振蕩之間存在線性關系,并主要是針對障礙渦脫落開展相關研究。文獻[10]對VKI的實驗器進行的大渦模擬表明,潛入式噴管背區空腔體積對流動存在一定影響,并在背區空腔中存在高低壓交替出現的現象。

目前,對旋渦脫落和發展情況以及潛入式噴管的影響機理仍不清楚,需進一步深入研究[11]。文獻[12]針對使用翼柱形藥柱和潛入式噴管的固體火箭發動機,設計了能模擬翼燒完時情況的轉角渦脫落二維冷流實驗器(CVS60D),當調節到某一具體喉部面積時,實驗器中出現了明顯的壓強振蕩。為了揭示實驗器中出現壓強振蕩的機理,文中針對該實驗器,通過高速攝影獲得了背區空腔體積變化時實驗器中旋渦運動的變化情況,研究了轉角渦脫落與聲場耦合能否引起壓強振蕩,并研究了潛入式噴管背區空腔體積對該壓強振蕩的影響。

1 實驗系統

整個實驗系統由4部分組成,包括轉角渦脫落二維縮比實驗器(CVS60D)、實驗室現有的來流供給系統、示蹤粒子加入裝置和高速攝影平臺。使用2種傳感器來測量實驗器中的壓力,國外進口的Dytran 2300V1用來測量動壓,國產的DaCY420用來測量實驗器靜壓。對Dytran 2300V1測量所得數據進行快速傅里葉分析,便可得到壓力振蕩的功率譜。使用Synergy 2001進行數據采集。高速數字相機為Phantom 340,分辨率設置為512×384,采樣頻率設置為2 999幀/s。試驗系統如圖1所示;實驗器內部結構如圖2所示。

圖1 實驗系統實體圖Fig.1 The experimental facility

圖2 實驗器內部結構圖Fig.2 Interna l structure of experimental setup

CVS60D總長為573 mm,由多孔板、燃燒室、潛入式噴管及喉栓4部分組成。多孔板用來均勻來流以及作為聲場邊界,將燃燒室與空氣供給系統隔開。燃燒室中存在一個60°的后向臺階。后向臺階邊緣與潛入式噴管潛入段之間的距離為97mm。實驗器留用觀察窗口,以便獲得實驗器中的旋渦運動。潛入式噴管是真實發動機中噴管的縮比模型,用來在燃燒室中形成空腔。噴管喉部處的氣流馬赫數接近1,這意味著實驗器外部的聲難以通過喉部反傳入實驗器內。因此,燃燒室壁、潛入式噴管和多孔介質板就組成了一個聲腔。喉栓的前后移動可改變噴管喉部面積,從而調節燃燒室中空氣流速。

文中通過使用堵塊的方式,對潛入式噴管背區空腔體積的大小進行調節。共有4個調節堵塊,分別用V1～V4表示,對背區空腔體積調節規律如表1所示。

表1 潛入式噴管背區空腔體積調節規律及對應的壓強振蕩Tab le 1 Rule ofm odification of cavity formed by submerged nozzle and their p ressure oscillation

2 潛入式噴管背區空腔體積變化時壓強振蕩

實驗時,將4塊逐一填充入潛入式噴管背區空腔中,共進行5次實驗,工況號與表1中工況序號對應。

圖3(a)是C1時動壓傳感器所測得壓強-時間曲線。從16 s開始,曲線突然變寬,這表明實驗器中出現明顯的壓強振蕩,該壓強振蕩一直持續到實驗結束。其FFT分析如圖3(b)所示。

圖4(a)為C3時動壓傳感器所測得的壓強-時間曲線。曲線緩慢變寬,但寬度沒有C1中明顯。圖4(b)為其FFT分析結果。

圖5為C5時動壓傳感器所測得壓強-時間曲線。與C1和C3相比,曲線線寬沒有發生明顯變化,表明此時實驗器中沒有出現壓強振蕩。

圖6為5次實驗結果的總結。從圖6中可看出,隨著潛入式噴管空腔體積的逐漸減小,壓強振蕩的幅值也隨之降低,且近似呈線性關系。當空腔體積趨向于0時,壓強振蕩幾乎消失。這表明空腔體積大小對壓強振蕩的幅值影響較大。

圖3 C 1壓強振蕩曲線及其FFT分析Fig.3 Pressure oscillation curve and FFT of C 1

圖4 C 3壓強振蕩曲線及其FFT分析Fig.4 Pressure oscillation curve and FFT of C 3

圖5 C 5的壓強振蕩曲線Fig.5 Pressure oscillation of C 5

圖6 壓強振蕩振幅與潛入式噴管背區空腔體積之間的關系Fig.6 Relationship of amplitude of pressure oscillation and cavity volume formed by submerged nozzle

3 渦的識別及典型的流場區域劃分

為了獲得流場中旋渦的運動情況,文中使用1～10μm的Al2O3作為示蹤粒子,如果示蹤粒子的比重比流體介質大,則離心力大于粒子上的壓力差,粒子將向外偏移[13]。粒子將被“甩”出,從而使得渦核附近處于近乎無粒子的狀態,出現所謂的“黑洞”現象[14]。本實驗中旋渦產生和脫落初期,渦量大而尺度小,粒子無法跟隨旋渦運動,被甩出渦核區,此時“黑洞”現象即說明存在旋渦,而在潛入式噴管的空腔區附近,渦量小而尺度大,粒子能跟隨大尺度旋渦作旋轉運動,以此作為旋渦存在的依據。

實驗后拆除潛入式噴管,發現實驗器通道內腔側壁上粒子的粘附情況存在圖7所示的現象,三角形區域內很“潔凈”,粒子粘附較少。對流動分析后認為,這是因為較為強烈的旋渦運動,使得粒子無法粘附于側壁三角區域內,且強烈的旋渦運動對三角區域內已粘附的粒子亦有“清掃”作用。此外,雖然三角形區域上方也存在旋渦運動,但流速和旋渦強度均較低,對該區域側壁上已粘附粒子的“清掃”作用較小。據此,將觀察區分為主流區、渦脫落區和空腔區3個典型流動區,如圖8所示。

圖7 實驗器內腔側壁上示蹤粒子粘附情況Fig.7 Particle distribution on the side wa ll

圖8 旋渦運動觀察窗窗口及典型流場區域劃分Fig.8 Typical flow zone classification

4 轉角渦脫落與聲場耦合引起壓強振蕩

由文獻[12]可知,隨著流速的變化,實驗器CVS60D中出現了明顯的壓強變化,然后壓強振蕩又消失。通過對比壓強振蕩的頻率(fp=976 Hz)及實驗器聲腔的固有頻率(fa=1 034Hz)可知,實驗器出現了的壓強振蕩屬于聲不穩定。然而,由于沒有對流場的旋渦進行拍攝,實驗只能證明流動不穩定導致的這種聲不穩定,并不能證明壓強振蕩與渦脫落之間的關系。該狀態對應文中的工況C1,旋渦運動是文中研究內容之一。C1的旋渦運動如圖9所示。為便于分析,圖9中保留該圖片的當地時刻,并在圖片下方注明2張圖片的時間間隔,Δt=343～345μs。此外,選擇所關心區域,局部放大顯示其流動細節,從而減少圖片中的無關信息。

由圖9可看出,流動在后向臺階處發生分離而產生旋渦,旋渦逐個脫落,在隨主流向下游傳播的過程中,其尺度由逐漸變大。圖9(a)中橢圓處分別產生一個旋渦,經過3Δt時間后,幾乎在同一位置又產生另一旋渦。因此,可得出旋渦的脫落頻率fv≈968 Hz。

綜上所述,實驗器聲腔的固有頻率fa(1 034 Hz)、渦脫落的頻率fv(968 Hz)及實驗器出現的壓強振蕩的頻率fp(976Hz)三者接近。因此,可證明實驗器中出現壓強振蕩是由渦脫落與聲場之間的耦合作用引起,從而驗證了聲-渦耦合機理。

圖9 C 1時渦脫落頻率分析Fig.9 Frequency of vortex shedding of C 1

5 空腔體積變化時實驗器內部旋渦運動

為了簡要說明物理現象,上述對壓強振蕩的影響中,只給出了C3和C5的壓強振蕩曲線。現在給出對應的旋渦運動圖片,以便分析。

5.1 C3的旋渦運動

C3的旋渦運動如圖10所示。

圖10 C 3的渦脫落頻率分析Fig.10 Frequency of vortex shedding of C 3

從圖10中可看出,圖10(a)中的圓圈中出現了一個明顯的旋渦,3Δt后在原位置靠右處出現了下一個旋渦(如圖10(d)中的圓圈所示)。由此可判斷,其旋渦脫落頻率比1/3Δt略大,即比968 Hz大,這與C3時壓強振蕩頻率為988 Hz相吻合。因此,可判斷C3中出現的壓強振蕩同樣是由轉角渦脫落與實驗器聲場耦合所致。對比圖9與圖10可看出,圖10中空腔區的旋渦運動現象更明顯,且逐漸向后向臺階處傳播,對渦脫落區的影響逐漸增大,從而降低了渦脫落與聲場之間的耦合作用,導致振幅降低。

5.2 C 5的旋渦運動

仔細觀察工況C5的高速攝影錄像,已無法判斷出其渦脫落頻率,整個觀察區中的旋渦運動極其雜亂,空腔中出現了由小尺度旋渦組成強烈的大范圍旋渦運動(如圖11所示),幾乎占據了整個空腔區、渦脫落區及部分主流區,嚴重影響旋渦的產生及其規律性脫落,阻止了渦脫落與聲場之間的耦合作用,從而導致壓強振蕩消失。

圖11 C 5的旋渦運動Fig.11 Vortex motion of C 5

6 結論

(1)通過冷流實驗,驗證了轉角渦脫落與聲場之間的耦合作用能引起壓強振蕩。

(2)潛入式噴管背區空腔體積對壓強振蕩的影響較大,空腔體積與壓強振幅之間呈現出近似的線性關系。當空腔體積接近零時,壓強振蕩消失。

(3)隨著潛入式噴管背區空腔體積的逐漸縮小,渦脫落區上方的空腔區內的旋渦運動變得劇烈,對渦脫落區的影響也逐漸增大,影響了旋渦的產生及其規律性脫落,破壞了轉角渦脫落與實驗器聲場之間的耦合作用,最終導致壓強振蕩消失。

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