二维缩比发动机实验器中旋涡运动的实验研究

陈晓龙 ,何国强 ,刘佩进,肖 波,岳 赟

(西北工业大学燃烧、流动和热结构国家重点实验室陕西西安 710072)

0 引 言

引起固体火箭发动机中出现燃烧不稳定的因素众多,当旋涡的脱落频率与燃烧室声腔的某阶固有频率相等时,将引起共振从而产生压强振荡,是引起燃烧不稳定的原因之一,称之为声-涡耦合机理[1]。然而旋涡本身是一种四极子声源,其与声场之间的耦合作用很弱[2]。但涡撞击下游障碍物时,却很容易引起共振。研究表明声/涡耦合机理涉及到旋涡的产生、发展和传播及其撞击下游壁面等过程[3]。为了提高对上述机理的认识和理解,研究固体火箭发动机燃烧室中旋涡运动便显得非常必要和重要[4],此外,实际流体总是有旋的。旋涡空间分布的不均匀性对整个流场的运动学和动力学性质将产生很大的影响,因此,研究旋涡的产生、传播和破碎等过程是非常有意义的[5]。

流场显示技术能够获得对流场最直接的认识,可以为上述的机理提供旋涡存在及其如何运动的依据。然而,固体火箭发动机中的高温高压环境给燃烧室中流场显示带来了巨大的困难,仅能通过冷流实验来进行研究。目前流场显示技术发展迅速,在分离与旋涡流动分析中起到了重要的作用[6]。PIV因其能在测量流速的同时显示流场中瞬时旋涡结构而倍受人们欢迎,并得到了广泛的应用[7-10]。Anthoine等人[7]使用PIV研究了Ariane5的P230的缩比模型中障碍涡脱落,此外,Fabignon等人[11]使用PLIF研究了模型实验器VECLA中的表面涡脱落。然而这些研究只获得了流场某一瞬间的旋涡结构及其分布,这是因为PIV使用的是脉冲激光器,其频率有限,只能达到几十赫兹[7,9],无法捕获某一旋涡的发展及其撞击下游壁面等过程。固体火箭发动机中存在的涡脱落大概可以分为3种类型[11]：障碍、表面和转角涡脱落。国外的研究主要是针对前两种类型,对转角涡脱落的研究未见诸于公开文献。

因此,针对包含后向台阶和潜入式喷管的二维缩比实验器,该实验器可以模拟使用潜入式喷管的翼柱形装药固体火箭发动机中翼槽烧完时内流场的几何构型。通过搭建高速摄影平台,对转角涡脱落的详细运动过程进行了实验研究,研究结果可以提高对真实固体火箭发动机中流动的认识,可以加深对声-涡耦合机理的理解,并为数值计算方法提供实验验证。

1 实验系统

整个实验系统由4部分组成：包含后向台阶和潜入喷管的二维缩比实验器、高速摄影平台和实验室现有的来流供给系统和示踪粒子加入装置(图1)。

图1 二维缩比发动机实验器Fig.1 2D scaled experimental motor

1.1 二维缩比发动机实验器

考虑到真实固体火箭发动机的流量较大,地面空气储罐气源总量无法满足直接使用发动机原型进行实验,且真实固体火箭发动机的结构较大,需要观察的区域也较大,所以采用二维缩比模型,以便在实验器上安装光源和观察玻璃窗,从而实现对旋涡运动的拍摄。实验器内通道高为50mm,宽为80mm,其内部结构如图2所示,实验器的喷管喉部面积可调。为了能够拍摄到后向台阶与潜入式喷管之间旋涡运动的详细过程,光源位于观察窗正下方(图3),但潜入式喷管背区空腔(如图2中背光区域所示)的内部流动细节则无法获得。

使用实验室现有的示踪粒子加入装置,将直径为1～10μ m的Al2O3粉末,在混合段加入实验器中,通过多孔板,粉末跟来流常温空气能达到一个较好的混合状态,以满足流场显示。

图2 实验器的内部结构图Fig.2 Internal structure of the experimental motor

图3 观察窗窗口Fig.3 Visualization window

1.2 高速摄影平台

高速摄影平台由片光系统和高速数字相机组成。片光系统包括激光器、光导臂和片光转换装置(如图4所示)。使用光导臂将由激光器发出的波长为322nm激光导送到片光源玻璃窗下方(如图 4所示),通过片光转换装置,转换成片光,片光与主流流动方向平行(如图5所示),高速数字相机垂直于该片光进行拍摄。

图4 片光系统组成Fig.4 Sheet laser light system

图5 片光源效果图Fig.5 Sheet laser light

实验中使用的高速数字相机为Phantom4.3,如图1中所示,分辨率设置为512mm×384mm,采样频率设置为2999帧/s。

2 典型实验工况

实验时,来流为常温空气,喉部面积为983.1mm2,实验器内的静压为0.36MPa,实验时的通道中的来流马赫数为0.14。由于激光片光源的宽度的限制,同一工况一共进行了3次拍摄。

3 实验结果分析

湍流是流体的一种复杂流动,以流动的某一局部区域存在不规则运动为标志。从本质上来说旋涡展现了流体的一种局部化的“有序结构”形式[12]。实验器内流场的流动是极其杂乱,但又存在一定的规律性,其杂乱体现在该区域的流动不再是稳定的层流,存在着明显的流动分离和强烈的旋涡运动,而其规律性正是体现在旋涡的有规律地脱落、传播和破碎过程。这也正体现了湍流同时具有随机性和有序性[13]。

3.1 旋涡的识别

利用示踪粒子的散射作用,则图片中黑色代表没有粒子分布,而白色代表有粒子分布。那么如果示踪粒子的比重比流体介质的大,则离心力大于粒子上的压力差,粒子将向外偏移[14]。粒子将被“甩”出,从而使得涡核附近处于近乎无粒子的状态,出现所谓的“黑洞”现象[7],即如图8(a)中的红色椭圆所示。实验中旋涡产生和脱落初期,涡量大而尺度小,粒子无法跟随旋涡运动,被甩出涡核区,此时“黑洞”现象即说明旋涡的存在,而在潜入式喷管的空腔区附近,涡量小而尺度大,粒子能够跟随大尺度旋涡作旋转运动,以此作为旋涡存在的判据。

3.2 典型流动区域划分

实验后拆除潜入式喷管,发现实验器通道内腔侧壁上粒子的粘附情况存在如图6所示的现象,三角形区域内很“洁净”,粒子粘附较少,对流动分析后认为,这是因为较为强烈的旋涡运动使得粒子较难粘附于侧壁三角形区域内,并且强烈的旋涡运动对三角形区域内已粘附的粒子亦有“清扫”作用。此外,虽然三角形区域上方也存在旋涡运动,但流速和旋涡强度均较低,对该区域侧壁上已粘附粒子的“清扫”作用较小。据此,将观察区分为3个典型流动区：主流区、旋涡脱落区和空腔区,如图3所示。下面将对后两个区域内的旋涡运动进行详细分析。

3.3 旋涡脱落区

为了便于分析,图中保留该图片的当地时刻,并在图片下方注明两张图片之间的时间间隔,Δt为343～345μ s之间。此外,选择所关心区域,局部放大显示其流动细节,从而减少图片中的无关信息。

(1)由图7(示踪粒子加入初期,此时粒子还没进入空腔区内)和图8可以看出：流动在后向台阶处发生分离,产生旋涡,旋涡逐个脱落,在随主流向下游传播的过程中,其尺度逐渐变大。图7(a)和图8(a)中椭圆处分别产生一个旋涡,经过3Δt时间后,几乎在同一位置又产生另一个旋涡,因此可以得出旋涡的脱落频率大约为968Hz。

图6 实验器内腔侧壁上示踪粒子粘附情况Fig.6 Particles on the internal side wall

图7 示踪粒子加入初期的涡脱落Fig.7 Vortex shedding at the begging of particles addition

图8 涡脱落频率分析Fig.8 Vortex shedding frequency analysis

(2)从图9可以看出连续两个旋涡(分别为旋涡A和旋涡B)先后撞击潜入式喷管潜入段发生破碎的过程,并且在旋涡破碎后,一部分进入潜入式喷管背区空腔内,而另一部分随主流流出喷管。

图9(a)～(d)为旋涡 A撞击潜入段的过程。图9(e)～(h)为旋涡B的撞击过程。图9(c)和(h)分别为旋涡A和B撞击到相似位置的时刻,可以看出旋涡撞击的间隔时间大约为5Δt,因此可以得出旋涡撞击喷管的频率大约为581Hz,旋涡的撞击频率比旋涡的脱落频率低。

图9 旋涡撞击喷管潜入段发生破碎Fig.9 Break-down of vortex due to its impingement of submerged nozzle

3.4 空腔区

空腔区分为两个子区域,分别为潜入式喷管附近的空腔区和紧靠后向台阶的空腔区,这两个子区域的气流流速均较低,但流动细节却存在着一定的差异。

3.4.1 潜入式喷管附近的空腔区

(1)该区域存在着较为明显的大尺度旋涡运动,并且出现了典型的小尺度旋涡伴随大尺度的旋涡运动的现象,潜入式喷管空腔中不断有小尺度旋涡(如图10(a)和11(e)中的圆圈所示)流出,伴随大尺度的旋涡运动,最终被大尺度旋涡吞并。此外,大尺度的旋涡运动又会在上壁面卷起小尺度旋涡,这是因为大尺度旋涡在壁面附近引起边界层分离。这与作者进行的大涡模拟[14]所得的结果接近,在潜入式喷管背区空腔内部这种现象将更为明显。大尺度旋涡在壁面卷起的小尺度旋涡使得空腔区的流动更为杂乱。

图10 上壁面处产生的新的小尺度旋涡Fig.10 New small scale vortex generated on the internal upper-wall

图11 潜入式喷管附近空腔区内的旋涡运动Fig.11 Vortical motions in the cavity close to the submerged nozzle

(2)从图11可以看出,潜入式喷管附近空腔区的流动对旋涡脱落区的流动存在影响,当该区域内的大尺度旋涡运动没有侵入旋涡脱落区时,旋涡脱落区的旋涡C(如图11(a)所示)随主流向下游传播的速度变慢,将“等待”下一个旋涡D,并且在向下游传播的过程中两个旋涡逐渐变形,在图11(e)中两个旋涡几乎重叠(如图中矩形方框中所示),但最后因为大尺度旋涡运动的卷吸作用旋涡C直接进入潜入式喷管背区空腔内,而旋涡D则撞击在潜入式喷管潜入段(如图11(g)所示)。这也是旋涡的撞击频率低于旋涡的脱落频率的原因之一。此外,当该区域内的旋涡运动尺度相对较大时,将侵入涡脱落区,从而使得涡脱落区中旋涡向主流区靠近。

3.4.2 紧靠后向台阶的空腔区

从整个过程来看,示踪粒子加入初期,粒子只分布到旋涡脱落区上沿,而不会向上运动到空腔区内,然后,由潜入式喷管附近空腔区的大尺度旋涡运动卷吸向上游传播而来。该区域内的流动细节与潜入式喷管附近空腔区的类似,但量级上存在差别,旋涡运动没有潜入式喷管附近空腔区明显,旋涡的强度较小。从图12可以看出,后向台阶与上壁面的交界将形成贴壁小尺度旋涡(如图12(a)所示),该旋涡的尺度逐渐变大,并向旋涡脱落区方向移动,与此同时,周围也存在许多小尺度旋涡运动。

图12 后向台阶空腔旋涡运动Fig.12 Vortical motions in the cavity close to the backward-facing step

4 结 论

(1)搭建的高速摄影平台,借助连续片光流场显示技术,利用示踪粒子的散射作用,能够揭示内流场中的旋涡运动细节,可以提高对真实固体火箭发动机中流场的认识;

(2)根据流动细节可以得出,二维缩比发动机实验器的内流场可以分为3个典型的流动区域,分别为主流区、旋涡脱落区和空腔区。有规律的旋涡脱落、传播以及破碎过程主要发生在旋涡脱落区。空腔区中出现了典型的小尺度旋涡伴随大尺度旋涡一起做旋转运动的现象;

(3)旋涡的脱落频率大于其撞击潜入式喷管的频率。

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