側(cè)壁激波誘導下凹腔燃燒室冷態(tài)流場實驗觀測*

趙延輝，梁劍寒

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙　410073)

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側(cè)壁激波誘導下凹腔燃燒室冷態(tài)流場實驗觀測*

趙延輝，梁劍寒

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙410073)

摘要：在單凹腔燃燒室中引入側(cè)壁激波，為研究燃燒室內(nèi)部流動特性，采用納米粒子平面激光散射技術(shù)和粒子圖像測速技術(shù)對全尺寸玻璃燃燒室模型進行流場觀測，獲得了冷態(tài)流場展向和法向的瞬態(tài)灰度圖及平均速度場。實驗結(jié)果表明：在遠壁面區(qū)域，凹腔內(nèi)部速度與密度都較低；引入側(cè)壁激波后，近壁面區(qū)域凹腔與主流的質(zhì)量與動量交換增強，速度與密度升高；受到側(cè)壁激波影響，燃燒室底壁邊界層不再均勻，凹腔中后部產(chǎn)生大規(guī)模低速區(qū)，具有明顯三維特性。

關鍵詞：超聲速燃燒室；凹腔；冷態(tài)流場；納米粒子平面激光散射；粒子圖像測速

凹腔是一種性能良好的火焰穩(wěn)定裝置，廣泛應用于超聲速燃燒室中[1]。對基于凹腔的超聲速燃燒室而言，其流動特性是研究的重要內(nèi)容。Ben-Yakar等[2]總結(jié)了基于凹腔火焰穩(wěn)定器的超聲速燃燒室研究進展。Gruber等[3]研究了不同構(gòu)型凹腔火焰穩(wěn)定器在冷流狀態(tài)下的流動特性，結(jié)果表明凹腔后壁面傾角對凹腔剪切層特性有重要作用，凹腔剪切層對凹腔的流動特性有主導作用。Wang等[4]分析了凹腔剪切層振蕩模式，并采用數(shù)值計算和實驗手段對凹腔燃燒室的冷態(tài)流場和燃燒流場進行了研究[5]，發(fā)現(xiàn)凹腔后壁傾斜角越小，凹腔剪切層進入凹腔內(nèi)部越深，與后緣碰撞越強，后緣斜激波也越強。

針對凹腔火焰穩(wěn)定器燃燒室的冷態(tài)流動特性已有大量研究[6-7]，此外還有許多針對凹腔燃燒室的燃料分布和燃燒特性[1,8-9]的研究。Dudley等[10]在凹腔燃燒室中添加了圓柱作為被動控制手段，分析了圓柱尾跡對凹腔流動特性的影響。本文基于已有研究，設計了全透明燃燒室，引入側(cè)壁激波作為干擾，對其內(nèi)部流動特性進行了全方位觀測，以研究引入的側(cè)壁激波對凹腔流動的影響。

1實驗設備與燃燒室模型

由于受到可壓縮性、激波、不穩(wěn)定性以及湍流等因素的影響，超聲速流動實驗研究一直面臨較大的挑戰(zhàn)，本文采用超聲速靜風洞提供高品質(zhì)來流，采用納米粒子平面激光散射(Nano-particle Planer Laser Scattering，NPLS)技術(shù)與粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry，PIV)技術(shù)對燃燒室流場進行高空間分辨率觀測[11]。

1.1超聲速靜風洞

超聲速靜風洞由閥門、穩(wěn)定段、一體化噴管實驗段、擴壓段以及下游真空罐系統(tǒng)等組成。為了減少風洞壁面散射光對圖像采集造成的不良影響，各部件都進行了陽極氧化處理。實驗段壁面安裝大尺寸的觀測窗口，燃燒室模型均在上下觀察窗的可觀測范圍之內(nèi)，可以進行全方位的觀測。風洞運行不需要復雜的高壓儲罐以及相應管路設施，來流有很好的均勻性和低湍流度，經(jīng)過風洞穩(wěn)定段后，來流品質(zhì)得到顯著提高，能夠保證噴管出口為層流化流動[12]。

風洞來流條件如表1所示，其中靜壓、靜溫根據(jù)等熵關系式計算而得。風洞來流總壓為1個大氣壓，總溫為300 K。在實驗展開之前，通過PIV對風洞的馬赫數(shù)及流場均勻性進行了簡單校測，根據(jù)理想氣體斜激波關系式可換算得到實際來流馬赫數(shù)為Ma=2.68。

表1　超聲速靜風洞來流物理參數(shù)

1.2NPLS技術(shù)與PIV技術(shù)

NPLS技術(shù)采用納米二氧化鈦(TiO2)作為示蹤粒子來對流場進行層析觀測，實驗觀測系統(tǒng)的組成部分包括計算機、同步控制器、電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)相機、脈沖激光光源以及納米粒子發(fā)生器，詳細資料請參考文獻[13]。納米粒子發(fā)生器可以通過風洞閥門向觀測區(qū)域內(nèi)撒播粒子，連通高壓氣源，通過調(diào)整氣源壓強可以控制粒子濃度的變化[14]。PIV技術(shù)則采用跨幀技術(shù)和雙曝光相機對實驗流場進行觀測，對跨幀前后兩幅圖像進行傅里葉變換和互相關處理，可以計算兩幅圖像中對應粒子的位移，從而獲得其速度場。CCD相機為行間傳輸型CCD，最短跨幀時間200 ns，像素陣列為4000×2672，每個像素可分辨的灰度等級為4096，配有微距鏡頭；脈沖激光光源為雙腔Nd:YAG 激光器，輸出激光波長532 nm，脈沖持續(xù)時間6 ns，單脈沖最高能量350 mJ。

1.3超聲速燃燒室模型

由于超聲速靜風洞實驗段空間充裕，為了獲得燃燒室內(nèi)部流動，在實驗段內(nèi)部設計安裝了全尺寸的單凹腔燃燒室。為了保證透光性，燃燒室模型全部采用玻璃加工制作，從而有利于對燃燒室內(nèi)部流場進行全方位觀測。

Huang等對凹腔構(gòu)型進行了研究[15]，結(jié)果表明，凹腔長深比越大，后壁面傾角越小，凹腔阻力越大。依據(jù)其結(jié)論，實驗所用單凹腔燃燒室整體構(gòu)型如圖1所示，凹腔深度為15 mm，凹腔長深比為7，后壁面傾角為45°。為了避免燃燒室底壁前緣激波對流場造成影響，底壁前緣距凹腔前緣200 mm；燃燒室側(cè)壁也會產(chǎn)生前緣激波，為避免燃燒室壁面引入激波之間的相互耦合，同時保證風洞正常啟動，燃燒室側(cè)壁前緣距凹腔前緣50 mm；沒有安裝燃燒上壁面，從而消除了上壁面前緣激波對燃燒室內(nèi)部流動的影響。層析觀測的位置由片光平面決定，建立圖1所示坐標系，片光平面位置用垂直于該平面的坐標值表示。

圖1　單凹腔燃燒室模型及片光位置示意圖Fig.1　Scheme of single cavity combustor model and laser plane position

2結(jié)果與討論

2.1單凹腔燃燒室XOZ截面層析流場觀測

實驗中粒子通過風洞閥門進入穩(wěn)定段，穩(wěn)定段中安裝有整流裝置，可以使粒子在來流中均勻分布。由于湍流邊界層中密度有差異，粒子濃度也有差異，粒子散射成像的灰度值會有所不同，因此可以由灰度圖評估來流邊界層厚度。

圖2(a)為燃燒室中央截面灰度圖，通過灰度值的差異可以識別出來流邊界層，由圖例可測量凹腔前緣處的來流邊界層厚度約為5 mm。凹腔剪切層的抬升對來流有阻礙作用，形成了凹腔前緣激波，其激波角為26.1°。安裝激波是由上壁面觀察窗引入的，強度較弱，沒有對觀測區(qū)域流場造成影響，而反射激波是由燃燒室底壁前緣斜激波經(jīng)上壁面反射導致的，由于加工工藝的問題，燃燒室前緣不能無限薄，因此引入的前緣激波較強，反射激波與凹腔前緣激波相交，也沒有對觀測區(qū)域的凹腔剪切層產(chǎn)生影響。凹腔前緣來流邊界層厚度為5 mm，凹腔剪切層撞擊凹腔后緣并抬升，凹腔后緣剪切層厚度增加到20 mm。圖2(b)為近壁面灰度圖，在凹腔前緣處來流邊界層厚度為20 mm，在凹腔后緣剪切層厚度增長為30 mm，說明引入側(cè)壁激波后，近壁面邊界層厚度大大提高，改變了來流條件。

(a) Y=37.5 mm截面(a) Y=37.5 mm cross section

(b) Y=5 mm截面(b) Y=5 mm cross section圖2　單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)流場灰度圖Fig.2　Gray image of XOZ cross sections in single cavity combustor

凹腔內(nèi)流體滯留時間在毫秒量級[16]，在實驗過程中凹腔內(nèi)流體與主流進行質(zhì)量交換，示蹤粒子可以有效顯示流場結(jié)構(gòu)，在圖2展示的單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)流場中，凹腔流體的灰度值極低，來流邊界層的灰度值也較低[17]，但來流邊界層的灰度值高于凹腔內(nèi)部流體，表明凹腔內(nèi)流體密度低于邊界層流體。對應圖2中的瞬態(tài)流場圖，圖3給出了流道中央和近壁面的平均速度場(圖中U為當?shù)厮俣龋琔e為主流速度)，結(jié)合瞬態(tài)流場可以發(fā)現(xiàn)，Y=37.5 mm截面凹腔內(nèi)部速度很低，而在Y=5 mm截面中，凹腔內(nèi)流體速度很高。由于觀察窗有損壞，在圖3(b)的速度場中出現(xiàn)壞點。

(a) Y=37.5 mm截面(a) Y=37.5 mm cross section

(b) Y=5 mm截面(b) Y=5 mm cross section圖3　單凹腔燃燒室XOZ截面瞬態(tài)平均速度場Fig.3　Velocity distribution of XOZ cross sections in single cavity combustor

圖4　不同流向位置速度標量輪廓線Fig.4　Scalar velocity profiles at mutiple streamwise positions

為了更好地對比遠壁面與近壁面速度差異，圖4提取了兩個截面不同流向位置速度標量輪廓線，以主流速度作為基準，取無量綱速度U/Ue為X軸變量，Y軸為Z坐標值，其中X=0 mm為凹腔前緣，X為27.5 mm，55 mm和82.5 mm的速度輪廓線延伸到凹腔內(nèi)部，X=110 mm和X=140 mm在凹腔后方，通過對比發(fā)現(xiàn)，遠壁面區(qū)域凹腔內(nèi)部速度極低，近壁面區(qū)域凹腔內(nèi)部流體速度高于遠壁面區(qū)域，這在凹腔中后部尤為明顯。

圖5　不同流向位置Y方向速度分量輪廓線Fig.5　Velocity profiles of Y axis component at mutiple X positions

為了研究凹腔與主流的動量和質(zhì)量交換特性，圖5提取了遠壁面與近壁面平均速度場Y方向速度分量輪廓線，同樣以主流速度為基準進行無量綱化，X軸變量為UY/Ue(UY為Y方向速度分量)，Y軸變量為Z坐標。通過對比發(fā)現(xiàn)，X=0mm處，近壁面和遠壁面UY/Ue相差不大；X=27.5 mm處，也就是在凹腔前部，遠壁面凹腔剪切層UY/Ue幾乎為0，而近壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向凹腔內(nèi)部，但速度較低，說明此時近壁面凹腔與主流的質(zhì)量交換是主流流體進入凹腔；X=55 mm處，遠壁面與近壁面凹腔剪切層UY/Ue都偏向凹腔內(nèi)部，但近壁面速度值約為遠壁面速度值的4倍，說明凹腔中部的質(zhì)量交換是主流流體進入凹腔；X=82.5 mm處，遠壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向主流，且速度較高，而近壁面凹腔剪切層UY/Ue偏向凹腔內(nèi)部，速度較低，表明在凹腔后部，遠壁面凹腔剪切層與凹腔后壁碰撞，迅速抬升，但近壁面凹腔剪切層仍偏向凹腔底壁；X=110 mm和X=140 mm速度輪廓線表明，在凹腔下游，遠壁面凹腔剪切層出現(xiàn)再附，但近壁面凹腔剪切層沒有再附，反而逐漸抬升。

通過燃燒室流道中央和近壁面的實驗觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，凹腔內(nèi)部流動在兩種條件下差異明顯。為了進一步研究燃燒室內(nèi)部流動特性，以及側(cè)壁對凹腔流動的影響，對燃燒室XOY截面也進行了層析觀測。

2.2單凹腔燃燒室XOY截面層析流場觀測

通過調(diào)整片光和CCD相機位置可以實現(xiàn)燃燒室內(nèi)部流場的層析觀測，由于片光在觀測區(qū)域中的光強不均勻，用CCD對流場進行觀測時，不同位置的灰度值也會有差異， 圖6中圖像下半部分灰度值偏高，上半部分偏低，這就是片光強度不均勻造成的，但這并不會對流場結(jié)構(gòu)的觀測造成干擾。

圖6(a)～(d)分別給出了Z為5 mm，10 mm，15 mm和20 mm時的瞬態(tài)流場灰度圖，在圖中用白色虛線標出了凹腔前緣和后緣的位置，來流邊界層厚度大于5 mm，因此圖6(a)的觀測截面在來流邊界層內(nèi)，圖中可以看到清晰的邊界層湍流結(jié)構(gòu)。將圖6中各幅圖分成R1和R2兩個區(qū)域，R1表示流道中央?yún)^(qū)域，R2則為近壁面區(qū)域。圖6(b)中可以觀測到的底壁R1區(qū)域中央產(chǎn)生了流向渦，并向下游逐漸發(fā)展，在R1區(qū)域其他部分則是均勻主流，由此可知底壁邊界層厚度并不均勻。圖6(d)中可以清楚地看到側(cè)壁產(chǎn)生的斜激波，對照斜激波位置可以得出結(jié)論：兩側(cè)壁斜激波在流道中央交匯，底壁邊界層在斜激波的作用下增厚并產(chǎn)生流向渦，來流條件不再是均勻邊界層。圖6(a)～(c)中在凹腔中后部都出現(xiàn)低灰度值流體，圖6(d)中在側(cè)壁附近出現(xiàn)間歇性脫落渦，這是底壁邊界層與側(cè)壁前緣碰撞后產(chǎn)生的。

(a) Z=5 mm截面(a) Z=5 mm cross section

(b) Z=10 mm截面(b) Z=10 mm cross section

(c) Z=15 mm截面(c) Z=15 mm cross section

(d) Z=20 mm截面(d) Z=20 mm cross section圖6　單凹腔燃燒室XOY截面瞬態(tài)流場灰度圖Fig.6　Gray image of XOY cross sections in single cavity combustor

(a) Z=5 mm截面(a) Z=5 mm cross section

(b) Z=10 mm截面(b) Z=10 mm cross section

(c) Z=15 mm截面(c) Z=15 mm cross section

(d) Z=20 mm截面(d) Z=20 mm cross section圖7　單凹腔燃燒室不同位置XOY截面平均速度場Fig.7　Velocity distribution of XOY cross sections in single cavity combustor

對照圖7的平均速度場可以發(fā)現(xiàn)，這些流體的速度較低，且觀測平面距離底壁越遠，低速區(qū)面積越小，由此可知，受到側(cè)壁影響，近壁面R2區(qū)域的凹腔流體沒有進入主流，而凹腔中部R1區(qū)域內(nèi)凹腔內(nèi)部流體隨凹腔剪切層進入主流，剪切層與凹腔后緣碰撞導致凹腔內(nèi)呈現(xiàn)XOY截面內(nèi)近似為橢圓形的低速區(qū)。從三維空間來看，低速區(qū)為金字塔形，距離底壁越遠，低速區(qū)在XOY截面內(nèi)的范圍越小，具有明顯三維特性。

3結(jié)論

對單凹腔燃燒室進行了層析觀測，獲得了燃燒室內(nèi)部不同觀測截面的瞬態(tài)流場灰度圖以及平均速度分布，主要結(jié)論如下：

1)引入側(cè)壁激波后，流道中央的來流邊界層厚度提高，來流邊界層不再均勻，凹腔內(nèi)流動速度低，凹腔流動主要由剪切層特性驅(qū)動；

2)遠壁面凹腔內(nèi)密度低、流動速度低，近壁面凹腔內(nèi)密度高、流動速度高，側(cè)壁提高了凹腔與主流的質(zhì)量和動量交換；

3)凹腔剪切層與后緣碰撞而產(chǎn)生低速區(qū)，在XOY截面內(nèi)近似為橢圓形，從立體上看分離區(qū)呈現(xiàn)金字塔式的三維特性，距離底壁越遠，分離區(qū)在XOY截面內(nèi)的范圍越小。

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doi:10.11887/j.cn.201602007

*收稿日期：2015-05-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11472304)

作者簡介：趙延輝(1987—), 男, 山東東營人，博士研究生，E-mail：mj311840@126.com； 梁劍寒(通信作者), 男, 教授, 博士，博士生導師，E-mail：jhleon@vip.sina.com

中圖分類號：V235

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-037-06

Experimental observation of non-reaction flow field based on cavity supersonic combustor on condition of side wall shock wave

ZHAO Yanhui, LIANG Jianhan

(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Side wall shock wave was introduced in supersonic combustor based on cavity. In order to study the internal flow characteristics of the combustor, nano-particle planer laser scattering and particle image velocimetry technologies were employed to observe internal flow field of combustor model made by glass. Gray images and average velocity distributions of non-reaction flow field in side view and top view were caught by experimental facilities. Observation results reveal that: speed and density of fluid inside cavity are low in the region far away from the side wall; mass and momentum exchange is enhanced in the region near the side wall on condition of side wall shock wave with high speed and density; boundary layer of combustor bottom wall becomes nonuniform due to side wall shock waves, and large scale of low speed region generates at the rear of cavity with obvious three-dimensional characteristics.

Key words：supersonic combustor; cavity; non-reaction flow field; nano-particle planer laser scattering; particle image velocimetry

http://journal.nudt.edu.cn