轴对称后向台阶不稳定流动及压强振荡数值研究①

张翔宇，何国强，刘佩进

(西北工业大学燃烧、热结构与内流场重点实验室，西安 710072)

0 引言

后向台阶流动具有几何结构简单、分离点固定和来流条件容易控制等特点，是研究湍流边界层分离和再附流动的重要形式之一。目前，国内外对层流至湍流条件下的流动进行了大量的试验和数值模拟［1－3］，试验大多在风洞和水洞中进行，测量手段有热线、热膜探针和PIV等。目前，为提高战术固体火箭发动机性能，大多采用高能复合推进剂及复杂装药构型，尤其是翼柱形装药的固体火箭发动机在翼槽烧完时，也会形成具有自身特点的后向台阶流动。这种台阶结构是轴对称的，具有一定倾斜角度，并且由于侧向加质的作用，近壁面速度垂直于轴线，流场中主流速度较大，一般为完全发展的湍流流动。前柱后翼形装药形成的后向台阶会使流动在台阶附近形成剪切层，进而产生转角涡脱落现象，这是固体火箭发动机中3种典型的旋涡脱落现象之一［4－5］。当涡脱落频率与声场某阶固有频率接近时，就可能形成共振，这种声涡耦合产生的共振是大长径比固体火箭发动机燃烧室压强振荡的源头。Flandro和Jacobs［6］最早指出，流动经过障碍物时，形成的旋涡脱落会将部分平均流能量转化为声能，从而产生声能增益。Mason 和 Folkman［7］以及 Brown［8］等得出结论，旋涡脱落可诱发燃烧室的轴向基频。Culick 和 Magiawala［9］、Dunlap［10］通过实验研究表明，当旋涡脱落频率与燃烧室声场固有频率接近时，会引起压强振荡现象。Vuillot［11］、Lupoglazoff［12］设计了一种转角涡脱落致压强振荡的发动机，并通过试验及数值模拟证明了转角涡脱落产生的声涡作用，可引起与声场固有频率相耦合的压强振荡现象。……