二維縮比發動機實驗器中旋渦運動的實驗研究

陳曉龍 ,何國強 ,劉佩進,肖 波,岳 赟

(西北工業大學燃燒、流動和熱結構國家重點實驗室陜西西安 710072)

0 引 言

引起固體火箭發動機中出現燃燒不穩定的因素眾多,當旋渦的脫落頻率與燃燒室聲腔的某階固有頻率相等時,將引起共振從而產生壓強振蕩,是引起燃燒不穩定的原因之一,稱之為聲-渦耦合機理[1]。然而旋渦本身是一種四極子聲源,其與聲場之間的耦合作用很弱[2]。但渦撞擊下游障礙物時,卻很容易引起共振。研究表明聲/渦耦合機理涉及到旋渦的產生、發展和傳播及其撞擊下游壁面等過程[3]。為了提高對上述機理的認識和理解,研究固體火箭發動機燃燒室中旋渦運動便顯得非常必要和重要[4],此外,實際流體總是有旋的。旋渦空間分布的不均勻性對整個流場的運動學和動力學性質將產生很大的影響,因此,研究旋渦的產生、傳播和破碎等過程是非常有意義的[5]。

流場顯示技術能夠獲得對流場最直接的認識,可以為上述的機理提供旋渦存在及其如何運動的依據。然而,固體火箭發動機中的高溫高壓環境給燃燒室中流場顯示帶來了巨大的困難,僅能通過冷流實驗來進行研究。目前流場顯示技術發展迅速,在分離與旋渦流動分析中起到了重要的作用[6]。PIV因其能在測量流速的同時顯示流場中瞬時旋渦結構而倍受人們歡迎,并得到了廣泛的應用[7-10]。Anthoine等人[7]使用PIV研究了Ariane5的P230的縮比模型中障礙渦脫落,此外,Fabignon等人[11]使用PLIF研究了模型實驗器VECLA中的表面渦脫落。然而這些研究只獲得了流場某一瞬間的旋渦結構及其分布,這是因為PIV使用的是脈沖激光器,其頻率有限,只能達到幾十赫茲[7,9],無法捕獲某一旋渦的發展及其撞擊下游壁面等過程。固體火箭發動機中存在的渦脫落大概可以分為3種類型[11]：障礙、表面和轉角渦脫落。國外的研究主要是針對前兩種類型,對轉角渦脫落的研究未見諸于公開文獻。

因此,針對包含后向臺階和潛入式噴管的二維縮比實驗器,該實驗器可以模擬使用潛入式噴管的翼柱形裝藥固體火箭發動機中翼槽燒完時內流場的幾何構型。通過搭建高速攝影平臺,對轉角渦脫落的詳細運動過程進行了實驗研究,研究結果可以提高對真實固體火箭發動機中流動的認識,可以加深對聲-渦耦合機理的理解,并為數值計算方法提供實驗驗證。

1 實驗系統

整個實驗系統由4部分組成：包含后向臺階和潛入噴管的二維縮比實驗器、高速攝影平臺和實驗室現有的來流供給系統和示蹤粒子加入裝置(圖1)。

圖1 二維縮比發動機實驗器Fig.1 2D scaled experimental motor

1.1 二維縮比發動機實驗器

考慮到真實固體火箭發動機的流量較大,地面空氣儲罐氣源總量無法滿足直接使用發動機原型進行實驗,且真實固體火箭發動機的結構較大,需要觀察的區域也較大,所以采用二維縮比模型,以便在實驗器上安裝光源和觀察玻璃窗,從而實現對旋渦運動的拍攝。實驗器內通道高為50mm,寬為80mm,其內部結構如圖2所示,實驗器的噴管喉部面積可調。為了能夠拍攝到后向臺階與潛入式噴管之間旋渦運動的詳細過程,光源位于觀察窗正下方(圖3),但潛入式噴管背區空腔(如圖2中背光區域所示)的內部流動細節則無法獲得。

使用實驗室現有的示蹤粒子加入裝置,將直徑為1～10μ m的Al2O3粉末,在混合段加入實驗器中,通過多孔板,粉末跟來流常溫空氣能達到一個較好的混合狀態,以滿足流場顯示。

圖2 實驗器的內部結構圖Fig.2 Internal structure of the experimental motor

圖3 觀察窗窗口Fig.3 Visualization window

1.2 高速攝影平臺

高速攝影平臺由片光系統和高速數字相機組成。片光系統包括激光器、光導臂和片光轉換裝置(如圖4所示)。使用光導臂將由激光器發出的波長為322nm激光導送到片光源玻璃窗下方(如圖 4所示),通過片光轉換裝置,轉換成片光,片光與主流流動方向平行(如圖5所示),高速數字相機垂直于該片光進行拍攝。

圖4 片光系統組成Fig.4 Sheet laser light system

圖5 片光源效果圖Fig.5 Sheet laser light

實驗中使用的高速數字相機為Phantom4.3,如圖1中所示,分辨率設置為512mm×384mm,采樣頻率設置為2999幀/s。

2 典型實驗工況

實驗時,來流為常溫空氣,喉部面積為983.1mm2,實驗器內的靜壓為0.36MPa,實驗時的通道中的來流馬赫數為0.14。由于激光片光源的寬度的限制,同一工況一共進行了3次拍攝。

3 實驗結果分析

湍流是流體的一種復雜流動,以流動的某一局部區域存在不規則運動為標志。從本質上來說旋渦展現了流體的一種局部化的“有序結構”形式[12]。實驗器內流場的流動是極其雜亂,但又存在一定的規律性,其雜亂體現在該區域的流動不再是穩定的層流,存在著明顯的流動分離和強烈的旋渦運動,而其規律性正是體現在旋渦的有規律地脫落、傳播和破碎過程。這也正體現了湍流同時具有隨機性和有序性[13]。

3.1 旋渦的識別

利用示蹤粒子的散射作用,則圖片中黑色代表沒有粒子分布,而白色代表有粒子分布。那么如果示蹤粒子的比重比流體介質的大,則離心力大于粒子上的壓力差,粒子將向外偏移[14]。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[7],即如圖8(a)中的紅色橢圓所示。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”現象即說明旋渦的存在,而在潛入式噴管的空腔區附近,渦量小而尺度大,粒子能夠跟隨大尺度旋渦作旋轉運動,以此作為旋渦存在的判據。

3.2 典型流動區域劃分

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如圖6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較難粘附于側壁三角形區域內,并且強烈的旋渦運動對三角形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3個典型流動區：主流區、旋渦脫落區和空腔區,如圖3所示。下面將對后兩個區域內的旋渦運動進行詳細分析。

3.3 旋渦脫落區

為了便于分析,圖中保留該圖片的當地時刻,并在圖片下方注明兩張圖片之間的時間間隔,Δt為343～345μ s之間。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。

(1)由圖7(示蹤粒子加入初期,此時粒子還沒進入空腔區內)和圖8可以看出：流動在后向臺階處發生分離,產生旋渦,旋渦逐個脫落,在隨主流向下游傳播的過程中,其尺度逐漸變大。圖7(a)和圖8(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個旋渦,因此可以得出旋渦的脫落頻率大約為968Hz。

圖6 實驗器內腔側壁上示蹤粒子粘附情況Fig.6 Particles on the internal side wall

圖7 示蹤粒子加入初期的渦脫落Fig.7 Vortex shedding at the begging of particles addition

圖8 渦脫落頻率分析Fig.8 Vortex shedding frequency analysis

(2)從圖9可以看出連續兩個旋渦(分別為旋渦A和旋渦B)先后撞擊潛入式噴管潛入段發生破碎的過程,并且在旋渦破碎后,一部分進入潛入式噴管背區空腔內,而另一部分隨主流流出噴管。

圖9(a)～(d)為旋渦 A撞擊潛入段的過程。圖9(e)～(h)為旋渦B的撞擊過程。圖9(c)和(h)分別為旋渦A和B撞擊到相似位置的時刻,可以看出旋渦撞擊的間隔時間大約為5Δt,因此可以得出旋渦撞擊噴管的頻率大約為581Hz,旋渦的撞擊頻率比旋渦的脫落頻率低。

圖9 旋渦撞擊噴管潛入段發生破碎Fig.9 Break-down of vortex due to its impingement of submerged nozzle

3.4 空腔區

空腔區分為兩個子區域,分別為潛入式噴管附近的空腔區和緊靠后向臺階的空腔區,這兩個子區域的氣流流速均較低,但流動細節卻存在著一定的差異。

3.4.1 潛入式噴管附近的空腔區

(1)該區域存在著較為明顯的大尺度旋渦運動,并且出現了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度的旋渦運動的現象,潛入式噴管空腔中不斷有小尺度旋渦(如圖10(a)和11(e)中的圓圈所示)流出,伴隨大尺度的旋渦運動,最終被大尺度旋渦吞并。此外,大尺度的旋渦運動又會在上壁面卷起小尺度旋渦,這是因為大尺度旋渦在壁面附近引起邊界層分離。這與作者進行的大渦模擬[14]所得的結果接近,在潛入式噴管背區空腔內部這種現象將更為明顯。大尺度旋渦在壁面卷起的小尺度旋渦使得空腔區的流動更為雜亂。

圖10 上壁面處產生的新的小尺度旋渦Fig.10 New small scale vortex generated on the internal upper-wall

圖11 潛入式噴管附近空腔區內的旋渦運動Fig.11 Vortical motions in the cavity close to the submerged nozzle

(2)從圖11可以看出,潛入式噴管附近空腔區的流動對旋渦脫落區的流動存在影響,當該區域內的大尺度旋渦運動沒有侵入旋渦脫落區時,旋渦脫落區的旋渦C(如圖11(a)所示)隨主流向下游傳播的速度變慢,將“等待”下一個旋渦D,并且在向下游傳播的過程中兩個旋渦逐漸變形,在圖11(e)中兩個旋渦幾乎重疊(如圖中矩形方框中所示),但最后因為大尺度旋渦運動的卷吸作用旋渦C直接進入潛入式噴管背區空腔內,而旋渦D則撞擊在潛入式噴管潛入段(如圖11(g)所示)。這也是旋渦的撞擊頻率低于旋渦的脫落頻率的原因之一。此外,當該區域內的旋渦運動尺度相對較大時,將侵入渦脫落區,從而使得渦脫落區中旋渦向主流區靠近。

3.4.2 緊靠后向臺階的空腔區

從整個過程來看,示蹤粒子加入初期,粒子只分布到旋渦脫落區上沿,而不會向上運動到空腔區內,然后,由潛入式噴管附近空腔區的大尺度旋渦運動卷吸向上游傳播而來。該區域內的流動細節與潛入式噴管附近空腔區的類似,但量級上存在差別,旋渦運動沒有潛入式噴管附近空腔區明顯,旋渦的強度較小。從圖12可以看出,后向臺階與上壁面的交界將形成貼壁小尺度旋渦(如圖12(a)所示),該旋渦的尺度逐漸變大,并向旋渦脫落區方向移動,與此同時,周圍也存在許多小尺度旋渦運動。

圖12 后向臺階空腔旋渦運動Fig.12 Vortical motions in the cavity close to the backward-facing step

4 結 論

(1)搭建的高速攝影平臺,借助連續片光流場顯示技術,利用示蹤粒子的散射作用,能夠揭示內流場中的旋渦運動細節,可以提高對真實固體火箭發動機中流場的認識;

(2)根據流動細節可以得出,二維縮比發動機實驗器的內流場可以分為3個典型的流動區域,分別為主流區、旋渦脫落區和空腔區。有規律的旋渦脫落、傳播以及破碎過程主要發生在旋渦脫落區。空腔區中出現了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度旋渦一起做旋轉運動的現象;

(3)旋渦的脫落頻率大于其撞擊潛入式噴管的頻率。

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