不同主流速度下障礙渦脫落冷流實(shí)驗(yàn)研究①

甘曉松，何國強(qiáng)，楊尚榮，岳 赟

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引言

現(xiàn)代固體發(fā)動(dòng)機(jī)盡管采用了含鋁復(fù)合固體推進(jìn)劑，但大長徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仍然受到燃燒不穩(wěn)定的困擾。為解決大型分段式裝藥固體發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定問題，美國和歐洲都投入了大量的人力和物力。美國開展的多學(xué)科大學(xué)研究倡議(MURI:Multi-Disciplinary University Research Initiative)試圖從基礎(chǔ)化學(xué)、燃燒和流體動(dòng)力學(xué)的角度深入研究燃燒不穩(wěn)定問題[1];以法國為主的歐洲啟動(dòng)兩大研究計(jì)劃研究燃燒不穩(wěn)定問題:分段固體發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)(ASSM:Aerodynamics of Segmented Solid Motors)和壓強(qiáng)振蕩計(jì)劃(POP:Pressure Oscillation Programs)[2]。ASSM 的主要科學(xué)目標(biāo)是對渦脫落進(jìn)行深入理解和建模，促進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。POP計(jì)劃是利用P230的縮比模型發(fā)動(dòng)機(jī)開展實(shí)驗(yàn)研究，獲得實(shí)驗(yàn)和數(shù)值數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)對分段發(fā)動(dòng)機(jī)中渦脫落導(dǎo)致壓強(qiáng)振蕩現(xiàn)象的理解，尋求燃燒不穩(wěn)定的抑制方法。國外研究初步表明，聲渦耦合產(chǎn)生的共振是大長徑比固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)振蕩的源頭，當(dāng)推進(jìn)劑的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)等增益作用強(qiáng)于兩相流阻尼等抑制作用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的壓強(qiáng)振蕩。為深入了解渦產(chǎn)生的條件、渦與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的固有聲模式耦合的條件等，需要用冷流實(shí)驗(yàn)的方法研究燃燒室的氣體動(dòng)力學(xué)過程。ASSM-POP項(xiàng)目中一部分研究采用冷流實(shí)驗(yàn)裝置，如 ONERA的 VECLA[3]和VALDO[4－5]及馮·卡門流體動(dòng)力學(xué)研究中心(VKI)的冷流實(shí)驗(yàn)器[6－7]。

大長徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在3種類型的渦脫落[8]:障礙渦脫落(OVS)、轉(zhuǎn)角渦脫落(AVS)和表面渦脫落(SVS)。針對障礙渦脫落，Anthoine J等[9]采用P230的1/15縮比實(shí)驗(yàn)器，測試了障礙物高度和障礙物間距之比h/L與壓強(qiáng)波動(dòng)的關(guān)系;Yildiz D[10]研究了障礙物在試驗(yàn)器中的位置對壓強(qiáng)振蕩的影響;壓強(qiáng)振蕩隨障礙物剛度的變化規(guī)律在文獻(xiàn)[11]中做了考慮;為了觀察旋渦的配對現(xiàn)象，PIV(particle image velocimetry)技術(shù)[12]被用來顯示試驗(yàn)器內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)。

本文使用高速攝影平臺[13]和壓強(qiáng)測試系統(tǒng)來研究不同主流速度下障礙渦脫落的產(chǎn)生規(guī)律及脫落渦與試驗(yàn)器聲腔耦合對壓強(qiáng)振蕩的影響。高速攝影技術(shù)可捕獲渦脫落的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，這無疑可加深對聲渦耦合機(jī)理的理解。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冷流試驗(yàn)系統(tǒng)主要由空氣供給系統(tǒng)、冷流實(shí)驗(yàn)器、高速攝影系統(tǒng)、壓力測試系統(tǒng)及示蹤粒子加入系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 冷流實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold flow experimental equipment

1.1 冷流試驗(yàn)器

為了便于高速相機(jī)對實(shí)驗(yàn)器內(nèi)流場進(jìn)行拍攝，實(shí)驗(yàn)器采用二維結(jié)構(gòu)，在障礙物附近區(qū)域開有觀察窗和光源窗。整個(gè)冷流實(shí)驗(yàn)器分為多段，主要包括以下幾部分:

(1)進(jìn)氣段:主要負(fù)責(zé)與空氣供給系統(tǒng)相連，并確保氣流穩(wěn)定和均勻，進(jìn)氣段開有傳感器孔，用于測量孔板前的氣流壓強(qiáng)。

(2)多孔板:主要是隔斷氣流上、下游之間的聲波傳播，以便能夠獲得確定長度的冷流實(shí)驗(yàn)器聲腔。

(3)等直段:來流經(jīng)過孔板后，需要經(jīng)過一段較長的距離使產(chǎn)生的旋渦耗散。在該段開有傳感器孔，測量孔板后的壓強(qiáng)，即工作段的靜態(tài)壓強(qiáng)。

(4)觀察段:該段安裝有障礙隔板，在其附近開有觀察窗來實(shí)現(xiàn)對旋渦產(chǎn)生、脫落和傳播的觀察，并對該過程進(jìn)行拍攝。

(5)噴管段:設(shè)計(jì)了一個(gè)潛入式噴管。

1.2 高速攝影系統(tǒng)

PIV和PLIF技術(shù)在流場顯示中廣泛應(yīng)用，但這2種方法使用的都是頻率約30 Hz的脈沖激光器，只能得到流場的瞬態(tài)情況，對于頻率較高的情況就有不足。故本文試驗(yàn)采用高速攝影系統(tǒng)來記錄障礙渦脫落的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，通過對拍攝圖像的后處理，可得到半定量的測量結(jié)果。

本文采用的高速攝影系統(tǒng)主要包括激光器、片光轉(zhuǎn)換裝置和高速數(shù)字相機(jī)，原理如圖2所示，圖2中黑點(diǎn)為示蹤粒子。示蹤粒子加入裝置見圖3，示蹤粒子選用粒徑為1～10μm的Al2O3粉末。

圖2 高速攝影系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high speed camera system

圖3 示蹤粒子加入裝置Fig.3 Supp ly equipment of trace particle

固體激光器提供持續(xù)的光源，激光方向可通過光導(dǎo)臂轉(zhuǎn)換。片光源轉(zhuǎn)換裝置可將點(diǎn)激光轉(zhuǎn)換為片光源照射在流場區(qū)域。同時(shí)在垂直于片光源的方向放置高速數(shù)字相機(jī)進(jìn)行拍攝，利用流場中鋁粒子的散射作用，就可獲得二維流場區(qū)域內(nèi)的旋渦運(yùn)動(dòng)情況。

1.3 壓強(qiáng)測試系統(tǒng)

障礙渦脫落引起聲渦耦合后，最直接的表現(xiàn)就是壓強(qiáng)振蕩，因此實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)測試系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的部分。本實(shí)驗(yàn)中要測試的壓強(qiáng)信號主要包括2種:靜態(tài)壓強(qiáng)和動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)。靜態(tài)壓強(qiáng)是指實(shí)驗(yàn)器穩(wěn)定工作時(shí)內(nèi)部的平衡壓強(qiáng);動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)是指在穩(wěn)定工作時(shí)，基于平衡壓強(qiáng)上下波動(dòng)的波動(dòng)值，即所謂的聲壓。對于靜態(tài)壓強(qiáng)的測量，可使用普通的壓強(qiáng)傳感器。但對于動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)，由于冷流實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)振蕩的振幅相對較小，故必須使用靈敏度較高的壓電式傳感器。測量時(shí)，壓電式傳感器首先獲得振蕩的電荷信號，然后通過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)信號。本文靜態(tài)壓強(qiáng)測試使用常規(guī)的DaCY420傳感器，動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)測試采用國產(chǎn)CY-YD-211壓電式傳感器，靈敏度為6 960 pC/105Pa(靜標(biāo))。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓強(qiáng)測量結(jié)果分析

通過冷流試驗(yàn)器喉栓的調(diào)節(jié)，通道主流速度可在Ma=0.07～0.18之間連續(xù)變化，每次調(diào)節(jié)增量Ma=0.01。試驗(yàn)后，利用快速傅里葉變換(FFT)對測得的壓強(qiáng)信號進(jìn)行分析，獲得壓強(qiáng)振蕩的振幅和頻率如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)FFT分析Fig.4 FFT analysis of dynam ic pressure

由圖4可看出，當(dāng)主流速度為Ma=0.10和Ma=0.11時(shí)，在頻率為616 Hz處存在較為明顯的壓強(qiáng)振蕩，其振幅分別為10.4 Pa和6.65 Pa。對比試驗(yàn)器聲場分析結(jié)果可知，616 Hz與實(shí)驗(yàn)器的三階軸向固有頻率基本相近。在其他工況下，雖然在前三階固有頻率附近均存在一定程度的振蕩，但幅值都較小。

圖5為高速攝像圖片，每幅圖片中均保留了拍攝時(shí)間，其中Δt=343～345μs。由圖5可見，當(dāng)主流速度為Ma=0.07時(shí)，旋渦不很明顯，且無規(guī)律，脫落的旋渦很快就向上卷起，耗散的非常快。對應(yīng)的壓強(qiáng)測試結(jié)果顯示該流速下沒有明顯的壓強(qiáng)波動(dòng)。利用聲渦耦合的理論進(jìn)行分析，認(rèn)為渦的脫落不穩(wěn)定，沒有規(guī)律，就無法作為源頭激發(fā)具有“屬性”性質(zhì)的試驗(yàn)器聲腔的固有模態(tài)，也就不存在與之進(jìn)一步形成有效耦合的可能性。當(dāng)主流速度增加到Ma=0.11時(shí)，旋渦的脫落較為規(guī)律，在t時(shí)刻，有 A、B 2個(gè)旋渦，經(jīng)過4Δt時(shí)間之后，旋渦B運(yùn)動(dòng)到原來旋渦A的位置，新產(chǎn)生1個(gè)旋渦C處于原來旋渦B的位置，經(jīng)過8Δt時(shí)間之后，旋渦C、D代替了之前的旋渦B、C。據(jù)此估算此時(shí)旋渦脫落的頻率約為724 Hz。

圖5 高速攝影圖片F(xiàn)ig.5 Experimental images of the high speed camera

其與試驗(yàn)器聲場的三階固有頻率(616 Hz)比較接近。壓強(qiáng)測試也表明此時(shí)試驗(yàn)器發(fā)生了頻率為616 Hz、振幅為6.65 Pa的壓強(qiáng)振蕩，故可推斷渦與試驗(yàn)器內(nèi)部聲場發(fā)生了耦合作用，從而產(chǎn)生了自激振蕩。

當(dāng)主流速度提高到Ma=0.13時(shí)，障礙物后的旋渦脫落帶很明顯，在t時(shí)刻產(chǎn)生旋渦A，經(jīng)過3Δt時(shí)間之后，旋渦B運(yùn)動(dòng)到原來旋渦A的位置，估算出旋渦脫落的頻率約為966 Hz。該頻率與實(shí)驗(yàn)室聲腔的五階頻率1 019 Hz相近。結(jié)合壓強(qiáng)測量結(jié)果可知:Ma=0.13時(shí)的共振強(qiáng)度與Ma=0.11時(shí)相比微乎其微，似乎違背了聲渦耦合理論中的“鎖頻”現(xiàn)象。分析原因認(rèn)為，一方面激發(fā)聲場的高階模態(tài)且發(fā)生共振相比于低階模態(tài)需要更多的能量[14]，且聲渦耦合過程中傳遞的能量不足以完成高階模態(tài)的激發(fā);另一方面，作為示蹤粒子加入的Al2O3粉末(粒徑為1～10μm)對高頻振蕩有很強(qiáng)的阻尼作用[15]。這兩方面原因可能導(dǎo)致試驗(yàn)器沒有出現(xiàn)高階的壓強(qiáng)振蕩。

隨著主流速度進(jìn)一步提高到Ma=0.15時(shí)，在t時(shí)刻有一個(gè)旋渦A;經(jīng)約2Δt～3Δt時(shí)間之后，旋渦B代替了原來的旋渦A，估算旋渦脫落頻率在1 208 Hz左右，其與試驗(yàn)器聲腔的六階固有頻率(1 190 Hz)接近，但同樣沒有產(chǎn)生壓強(qiáng)波動(dòng)，其原因分析同上。

同時(shí)，隨著“可能”被激發(fā)的模態(tài)的升高，粒子的阻尼作用與激發(fā)振蕩所需的能量都將進(jìn)一步增強(qiáng)和增多，據(jù)此推斷當(dāng)主流速度達(dá)到Ma=0.18時(shí)，更不會(huì)產(chǎn)生振蕩。當(dāng)主流速度為Ma=0.18時(shí)，旋渦脫落的頻率又有升高，在t時(shí)刻有一個(gè)旋渦A;經(jīng)過2Δt時(shí)間之后，旋渦B代替了原來的旋渦A;經(jīng)過4Δt之后，旋渦C代替了原來的旋渦B，估算得到旋渦脫落的頻率約為1 449 Hz，接近于試驗(yàn)器的七階固有頻率(1 390 Hz)，但沒有壓強(qiáng)波動(dòng)發(fā)生，驗(yàn)證了推斷的正確性。

3 結(jié)論

(1)本文建立的冷流試驗(yàn)方案合理可行，結(jié)合高速攝影對障礙渦脫落進(jìn)行了初步研究，獲得了幾乎連續(xù)的渦的運(yùn)動(dòng)情況。

(2)試驗(yàn)結(jié)果初步表明，隨著主流速度的提高，障礙物處旋渦脫落的頻率相應(yīng)增加，障礙渦脫落的頻率與主流速度基本上是遞增關(guān)系。

(3)初步研究表明，在某一主流速度下，當(dāng)旋渦脫落的頻率與實(shí)驗(yàn)器聲場的某一低階固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生壓強(qiáng)振蕩，且兩者頻率越接近，則振幅越大。

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