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      可壓縮混合層密度梯度場特性的實(shí)驗(yàn)研究

      2011-04-17 10:35:46甘才俊熊紅亮
      實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2011年4期
      關(guān)鍵詞:紋影密度梯度尺度

      甘才俊,李 烺,毛 濤,熊紅亮

      (中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京 100074)

      0 引 言

      可壓縮混合層是一類典型的剪切流動。對這一流動問題的研究對理解和解決新一代超燃沖壓發(fā)動機(jī)中的燃料混合效率低下、武器投射系統(tǒng)存在的氣動光學(xué)效應(yīng)問題(取決于密度場分布)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

      和不可壓縮混合層流動相比,可壓縮混合層中出現(xiàn)各種新現(xiàn)象的根源在于可壓縮效應(yīng)[1-4],衡量可壓縮效應(yīng)的一個(gè)特征參數(shù)是對流馬赫數(shù)(Mc)[1]。Dutton[5]認(rèn)為Mc<0.3混合層的流動現(xiàn)象比較接近不可壓縮混合層;0.3<Mc<0.6具有弱可壓縮效應(yīng);Mc>0.6的混合層具有比較強(qiáng)的可壓縮效應(yīng),目前大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果都接受了這一觀點(diǎn)。通過理論分析、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,速度及其衍生場[6-7](如渦量場),壓力場、溫度場、密度場[6]的特性已經(jīng)比較清楚,但對密度梯度場還沒有詳細(xì)的研究[1-4,7]。已有參考文獻(xiàn)往往只給出一幅紋影圖,因?yàn)樗麄兊难芯磕康膬H僅是為了考察混合層厚度及其增長率,或者觀察是否存在大尺度結(jié)構(gòu),沒能研究可壓縮混合層密度梯度場的時(shí)間特性,更沒有考慮可壓縮效應(yīng)對密度梯度場的影響,而密度梯度場的特性對氣動光學(xué)傳輸效應(yīng)具有很重要的意義。

      和大量的文獻(xiàn)利用數(shù)值模擬研究可壓縮混合層流動相比,限于實(shí)驗(yàn)研究的難度和費(fèi)用,目前國內(nèi)外通過實(shí)驗(yàn)研究該流動特性的文獻(xiàn)不多[1-3,8-9],而利用實(shí)驗(yàn)手段給出較大范圍內(nèi)混合層流場空間變化特性的文獻(xiàn)就更少。如PIV技術(shù)(粒子圖像測速)受限于片光源特性、粒子成像個(gè)數(shù)、CCD的分辨率和速度測量要求的空間分辨率等等約束,測量視窗范圍比較小,一般幾十毫米(特殊記錄設(shè)備也可以到1m左右),而可以進(jìn)行大范圍流場測量又滿足流動參變量識別要求的技術(shù)有PLMS(平面激光米散射技術(shù))和紋影技術(shù)等等。不過PLMS技術(shù)也僅僅得到了15cm左右的混合層流場[2]。在沒有任何增混措施情況下,混合層發(fā)展需要很長的流向空間(尤其是在靜風(fēng)洞中),因此采用這一技術(shù)只能詳細(xì)觀察混合層某一范圍內(nèi)的大尺度結(jié)構(gòu),很難看到混合層發(fā)展的整個(gè)過程。相比之下,紋影技術(shù)可以觀測到更大的流向視窗(可達(dá)45cm或更大[2]),因而可以展示混合層發(fā)展、轉(zhuǎn)捩甚至大尺度結(jié)構(gòu)破碎(湍流化)過程;此外,紋影技術(shù)顯示的大尺度結(jié)構(gòu)直接反映的是密度變化場,對理解飛行器光學(xué)導(dǎo)引頭附近外冷流場引起的光學(xué)畸變機(jī)理具有十分重要的意義。因此為了觀察密度梯度場的空間演化特性,采用紋影技術(shù)對具有近似不可壓(Mc=0.28)、弱可壓縮(Mc=0.38)和較強(qiáng)可壓縮效應(yīng)(Mc=0.72)的混合層流場特性進(jìn)行了研究,以考察可壓縮效應(yīng)對流動特性的影響。

      圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Simplified diagram of wind tunnel

      1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

      1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

      流動系統(tǒng)簡圖如圖1所示。過濾和干燥后的壓縮空氣經(jīng)減壓、整流(蜂窩器、濾網(wǎng))后,進(jìn)入Laval噴管,Laval噴管橫截面為矩形,用隔板分割成上下兩個(gè)通道,兩個(gè)通道根據(jù)設(shè)計(jì)工況具有不同的型線,使得在Laval噴管出口形成兩股不同流速的氣體,并在尺寸為(240mm×35mm×35mm)的實(shí)驗(yàn)段中混合。在實(shí)驗(yàn)段側(cè)面、上下兩面開有光學(xué)窗口以便實(shí)現(xiàn)流動顯示和測量。設(shè)計(jì)工況不同(不同對流馬赫數(shù))時(shí),雙噴管的型線也不同。

      1.2 紋影系統(tǒng)

      紋影系統(tǒng)由光源(波長為532nm的Nd:YAG脈沖激光器,脈沖長度6ns,單脈沖最大能量為350mJ,激光器最高采集頻率為30Hz)、口徑為300mm的紋影儀、控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)主要控制脈沖光源和圖像采集的同步性;采集系統(tǒng)由鏡頭(Nikon公司的AF Micro-Nikon 60mm f/2.8D)、CCD相機(jī)(Kodak公司的Megaplus ES 3.2,分辨率為2k×2k)、圖像采集卡(Matrox Genesis Gen/F/64/8/STD)和商用計(jì)算機(jī)組成。

      2 實(shí)驗(yàn)工況

      本研究假定可壓縮混合層滿足等熵條件,由于高速與低速自由流采用相同流動介質(zhì),對流馬赫數(shù)可以寫成[1]:

      其中,U1,U2分別為高速和低速自由流速度;a1,a2分別為高速和低速自由流聲速。U1,U2由PIV測速系統(tǒng)得到;音速利用噴管進(jìn)出口靜壓測量結(jié)果計(jì)算得到。根據(jù)(1)式和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果可以得到實(shí)驗(yàn)研究的工況為:Mc=0.28,0.38,0.72,具體實(shí)驗(yàn)條件參見表1。表1中的出口馬赫數(shù)是指噴管出口處高速側(cè)與低速側(cè)的馬赫數(shù),r=U1/U2;s=ρ1/ρ2。實(shí)驗(yàn)測量區(qū)域流向長度(即紋影圖像長度)為210mm,圖像記錄頻率為2幀/s。

      表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      圖2給出了Mc=0.28、記錄時(shí)間間隔為0.5s時(shí)典型的瞬時(shí)紋影圖像(共有41幅紋影圖像),圖像記錄范圍為30~240mm。圖2(a)和(b)時(shí)間間隔為0.5s。

      圖2 Mc=0.28瞬時(shí)紋影圖像Fig.2 Instantaneous schlieren images at Mc=0.28

      圖2中紅線是后處理時(shí)添加的流向標(biāo)注直線,它是在某一時(shí)刻t0的紋影圖像上,以x=30mm處可壓縮混合層的中心位置作為起點(diǎn)來進(jìn)行標(biāo)注;其它時(shí)刻紋影圖像標(biāo)注線的起始點(diǎn)位置采用t0時(shí)刻的起始位置。圖3和圖4中的紅線采用相同的方法進(jìn)行標(biāo)注。

      從圖2可以看出,在可壓縮混合層中出現(xiàn)的大尺度結(jié)構(gòu)類似于Brown-Roshko結(jié)構(gòu)(不可壓縮混合層特有的流動現(xiàn)象),混合層看不出明顯的擺動。

      圖3給出了Mc=0.38、記錄時(shí)間間隔同樣為0.5s的典型瞬時(shí)紋影圖像(共有197幅紋影圖像)。將圖3(a)、(b)、(c)、(d),以紅色標(biāo)注線為基準(zhǔn)進(jìn)行對比以后發(fā)現(xiàn):混合層中出現(xiàn)的大尺度結(jié)構(gòu)越來越長時(shí)會出現(xiàn)大尺度結(jié)構(gòu)有時(shí)向高速自由流一側(cè)發(fā)展較多(如圖3(a)、(c)),而另一時(shí)刻則向低速自由流一側(cè)發(fā)展較多(如圖3(b)、(d)),出現(xiàn)類似于鐘擺的“擺動”特性。圖3中x>180mm大尺度結(jié)構(gòu)和紅框邊緣的相對位置同樣可以得出這一結(jié)論。

      圖3 Mc=0.38瞬時(shí)紋影圖像Fig.3 Instantaneous schlieren image at Mc=0.38

      圖4 Mc=0.72瞬時(shí)紋影圖像Fig.4 Instantaneous schlieren image at Mc=0.72

      圖4給出了Mc=0.72、記錄時(shí)間間隔同樣為0.5 s的瞬時(shí)紋影圖像(共有189幅紋影圖像)。將圖4(b)、(c)紅色方框中的紋影圖像以標(biāo)注線為基準(zhǔn)對比以后發(fā)現(xiàn),混合層在這一空間分布區(qū)域出現(xiàn)了明顯的“擺動”,但在具有三維特性的大尺度結(jié)構(gòu)(如圖4(a)方框中所示)出現(xiàn),尤其是大尺度結(jié)構(gòu)破碎(x>170mm)以后,混合層并沒有出現(xiàn)明顯的擺動特性。

      對比圖2、3、4以后還可以發(fā)現(xiàn),弱可壓縮混合層流動(0.3<Mc<0.6)大尺度結(jié)構(gòu)存在的區(qū)域有比較長的流向距離,在空間開始出現(xiàn)位置也比較早。而可壓縮效應(yīng)比較強(qiáng)(Mc>0.6)的混合層大尺度結(jié)構(gòu)存在的流向區(qū)域比較短,在空間開始出現(xiàn)位置也比較靠后,而且很快就無法識別一個(gè)個(gè)獨(dú)立的大尺度結(jié)構(gòu),相反一些小尺度結(jié)構(gòu)開始增多。

      混合層之所以出現(xiàn)擺動可能和混合層失穩(wěn)后形成的大尺度結(jié)構(gòu)特性有關(guān),這些渦結(jié)構(gòu)的非對稱性(相對于Y=0)引起的自誘導(dǎo)運(yùn)動導(dǎo)致混合層開始擺動,擺動強(qiáng)度和渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和大小有關(guān)。而隨著對流馬赫數(shù)的提高,擺動有所提前,主要是由于低速流流動速度的降低使得小擾動增長率增大,流場三維失穩(wěn)更為提前,已經(jīng)不能保證混合層中心在Y=0附近,因而擺動有所提前。

      4 結(jié) 論

      利用紋影技術(shù)研究了不同對流馬赫數(shù)Mc=0.28,0.38,0.72可壓縮混合層的空間發(fā)展特性。發(fā)現(xiàn)可壓縮效應(yīng)對混合層的密度梯度場具有重要影響。當(dāng)Mc<0.3時(shí),在可壓縮混合層中發(fā)現(xiàn)了類似于Brown-Roshko的結(jié)構(gòu),混合層看不出明顯的擺動;但對于弱可壓縮混合層流動(0.3<Mc<0.6),也出現(xiàn)了類似于Brow-Roshko的結(jié)構(gòu),當(dāng)這些結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定程度,結(jié)構(gòu)越來越長時(shí),混合層開始擺動而對于可壓縮效應(yīng)比較強(qiáng)(Mc>0.6)的混合層大尺度結(jié)構(gòu)的三維效應(yīng)比較明顯,沒有明顯的類似于Brown-Roshko的結(jié)構(gòu),在混合層密度梯度場變亂之前,混合層出現(xiàn)了擺動現(xiàn)象。

      [1] PAPAMOSCHOU D,ROSHKO A.The compressible turbulent shear layer:an experimental study[J].J.Fluid Mech.,1988,197:453-477.

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      [4] VREMAN A W,SANDHAM N D,LUO K H.Compressible mixing layer growth rate and turbulence characteristics[J].J.Fluid Mech.,1996,320:235-258.

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