等截面超-超引射器流场结构及引射性能

为考察超声速引射器直接引射超声速二次流时的性能,采用纹影技术和压力测量手段对一等截面超-超引射器的流场结构及其引射性能进行了实验研究。研究结果表明:一、二次流交汇后在混合室前段形成了复杂的超声速流场结构。根据二次流在混合室入口流动状态的不同,可将超-超引射划分为非饱和超-超引射和饱和超-超引射两种工作状态;二次流在混合室入口处产生的激波提高了引射器的压力匹配性能;在给定的引射系数下,引射器的增压性能随二次流马赫数的增大而降低,而引射马赫数对引射器压力恢复性能的影响不大。     

等截面超-超引射器流场结构及引射性能

为考察超声速引射器直接引射超声速二次流时的性能,采用纹影技术和压力测量手段对一等截面超-超引射器的流场结构及其引射性能进行了实验研究。研究结果表明:一、二次流交汇后在混合室前段形成了复杂的超声速流场结构。根据二次流在混合室入口流动状态的不同,可将超-超引射划分为非饱和超-超引射和饱和超-超引射两种工作状态;二次流在混合室入口处产生的激波提高了引射器的压力匹配性能;在给定的引射系数下,引射器的增压性能随二次流马赫数的增大而降低,而引射马赫数对引射器压力恢复性能的影响不大。

     

变截面超-超引射器启动特性数值研究

为研究不同结构参数与来流参数下变截面超-超引射器的启动特性,用于指导超-超引射器设计与工况调试,采用二维雷诺平均Naiver-Stokes方程,数值研究了引射器混合室不同收缩比、一次流和二次流的不同总压比、总温比下超-超引射器的启动规律,并定义了“启动系数”来判别超-超引射流场是否建立。研究结果表明：随着收缩比（范围0.7～0.9）的增加,超-超引射器启动的临界总压比、总温比均先降低后升高,收缩比0.8时,存在最佳总压比5.88,最佳总温比0.21。结构参数一定,超-超引射器随总温比升高启动难度增加。当超-超引射器处于启动状态下,室压不随总温比、总压比变化而变化,引入的启动系数较引射系数可不依赖具体工况而直接判别超-超引射器是否启动。     

带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究

 为研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的性能,采用模拟器产生给定总温和总压的模拟二次流,在多喷管超声速引射器实验台上进行了一系列实验。重点考察了多喷管引射器的性能以及一次流总压和喷管安装构型对其性能的影响。实验结果表明：多喷管超声速引射器可保证二次流在设计工况下正常工作;二次流的加入大大减小了一次流的总压损失;较低的一次流总压具有更好的压力匹配性能,但引射增压能力也有所降低;合理的喷管安装构型可同时提高引射增压能力和压力匹配能力。提出了将二次流作为“助推器”,以帮助多喷管引射器在较低工况下实现启动的方案,在不增加系统复杂度的前提下提高了引射器的压力匹配能力。     

带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究

为研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的性能,采用模拟器产生给定总温和总压的模拟二次流,在多喷管超声速引射器实验台上进行了一系列实验。重点考察了多喷管引射器的性能以及一次流总压和喷管安装构型对其性能的影响。实验结果表明：多喷管超声速引射器可保证二次流在设计工况下正常工作;二次流的加入大大减小了一次流的总压损失;较低的一次流总压具有更好的压力匹配性能,但引射增压能力也有所降低;合理的喷管安装构型可同时提高引射增压能力和压力匹配能力。提出了将二次流作为“助推器”,以帮助多喷管引射器在较低工况下实现启动的方案,在不增加系统复杂度的前提下提高了引射器的压力匹配能力。     

激波冲击V形界面的RM不稳定性实验研究

在激波管中实验研究了二维V形空气/SF6界面在入射激波和反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov不稳定性发展规律。实验中采用细针约束肥皂膜的方法形成了精确可控的V形初始界面,利用高速纹影技术获得了受冲击的V形界面演化图像。通过改变初始V形界面顶角表征初始扰动振幅,获得了不同初始振幅条件下的波系和界面演化。结果表明,不同顶角下,入射激波冲击过后,界面形态表现出明显的差异,进一步导致反射激波冲击后界面形态的多样性。当顶角较小时,反射激波在界面内外引起复杂的波系结构,从而对界面形态及反相现象产生较大的影响。反射激波的二次作用使流场快速进入湍流混合状态,并且顶角较小时流场趋于各向同性发展。对反射激波作用后的界面混合宽度进行了测量,并与理论模型预测结果进行对比,发现理论模型不能很好地预测混合宽度的增长,主要是因为反射激波作用之后流场并没有完全达到湍流混合状态,不符合理论模型的适用条件。     

蒸汽喷射制冷系统中喷射器内特殊流动现象的研究

本文通过求解二维N-S方程来模拟蒸汽喷射器内复杂的流动混合过程,模拟时使用了蒸汽的真实物性公式。与理想气体假设不同,真实物性的带入,真实地反映了蒸汽经缩放喷嘴时,温度递减,喷嘴出口后温度场波动变化的特征．模拟时,通过对节点焓值的计算,得出了喷射器内发生相变的蒸汽的百分含量,实现了相变现象的定量分析。在激波捕捉方面,验证了喷射器内喷嘴出口后,膨胀波(压缩波)经混合层反复折射、转化、衰减的过程,以及在扩压室入口会产生斜激波的理论预测。     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

蒸汽喷射器中的激波效应

喷射器是依靠流体间的相互混合、撞击、摩擦来传递能量的,其内部的流动过程非常复杂,存在超音速流动、湍流、卷吸混合等极为复杂的流动现象。流体在超音速流动中强烈的可压缩性,会表现出与亚音速的不同特征,尤其压缩波或膨胀波的出现,对流动参数会产生很大影响。本文数值模拟了喷射器内部的复杂流动情况,数值刻画了喷射器内超音速喷嘴处的激波特性,并捕获到蒸汽喷射器扩压室内压缩激波诱发的壅塞现象,在此基础上分析了喷射器内的激波效应对喷射器性能的影响。     

Effect of Superheat Steam on Ejector in Distilled Water Preparation System for Medical Injection

In this study, a wet steam model was used to investigate the effect of steam superheat on ejector performance and non-equilibrium condensation phenomena. The simulation data for the ejector were validated with experimental data. The simulations show that an increase in primary flow superheat will increase the entrainment ratio, while an increase in secondary flow superheat will decrease the entrainment ratio. The output fluid superheat has little effect on the entrainment ratio. As the primary flow superheat increases from 0 to 20 K, the starting position of non-equilibrium condensation moves backward by 5 mm, and the mass fraction of condensed droplets decreases by 20%. The higher the secondary flow superheat, the lower the mass fraction of liquid in the diffusion chamber. The superheat level of the output fluid has no influence on the non-equilibrium condensation phenomenon of the ejector.     

Intensification of mixing by small-size jets in ejectors with central nozzle

An experimental investigation of the influence of mixing intensification by small-size jets on the startup and characteristics of a gas ejector with central nozzle and a convergent mixing chamber is carried out. It is shown that at high flow rates of the secondary gas, the critical regime is not settled because of the formation of a thick subsonic layer near the chamber wall. In these cases, a stepwise startup was done. The range of critical regimes is limited by the reloading point, at which the velocity near the chamber wall becomes sonic. The critical regime breakdown behind the reloading point occurs due to the upstream propagation of the back pressure through the subsonic layer. The mixing intensification ensures the equalization of the velocity profile and the extension of the range of critical regimes. Despite the improvement of characteristics the mixing in an ejector with the central nozzle remains incomplete. Experimental characteristics are compared with the computed ones. The mixing process is isobaric in the computation without the consideration of dissipative losses because of which the rise of the pressure of a mixture of primary and secondary gases occurs.     

Visualization of secondary flow choking phenomena in a supersonic air ejector

The present study deals with the visualization of the air flow inside a supersonic ejector. Our attention is more precisely focused on the choked flow phenomenon which occurs along the mixing chamber of the secondary nozzle and which can be visualized by CFD. Laser tomography visualizations are used to validate the CFD model. The evolution of flow configuration in the ejector with the primary stagnation pressure is examined both in the case of zero secondary flow and in the case of free entrainment of induced air.     

几何参数对喷射器性能的影响分析

运用计算流体动力学软件Fluent对喷射器进行数值模拟,研究了工作喷嘴喉部直径、等截面混合室直径和长度等几何参数对喷射器性能的影响,并对数值模拟结果进行了分析。研究表明:在一定的工况下,工作喷嘴及等截面混合室对喷射器性能有极大的影响,存在最佳的喉部和混合室直径使得喷射系数最大;随着混合室长度的增加,喷射器的喷射系数将逐渐降低。     

The surface roughness effect on the performance of supersonic ejectors

The paper presents the numerical simulation results of the surface roughness influence on gas-dynamic processes inside flow parts of a supersonic ejector. These simulations are performed using two commercial CFD solvers (Star- CCM+ and Fluent). The results are compared to each other and verified by a full-scale experiment in terms of global flow parameters (the entrainment ratio: the ratio between secondary to primary mass flow rate - ER hereafter) and local flow parameters distribution (the static pressure distribution along the mixing chamber and diffuser walls). A detailed comparative study of the employed methods and approaches in both CFD packages is carried out in order to estimate the roughness effect on the logarithmic law velocity distribution inside the boundary layer. Influence of the surface roughness is compared with the influence of the backpressure (static pressure at the ejector outlet). It has been found out that increasing either the ejector backpressure or the surface roughness height, the shock position displaces upstream. Moreover, the numerical simulation results of an ejector with rough walls in the both CFD solvers are well quantitatively agreed with each other in terms of the mean ER and well qualitatively agree in terms of the local flow parameters distribution. It is found out that in the case of exceeding the “critical roughness height” for the given boundary conditions and ejector’s geometry, the ejector switches to the “off-design” mode and its performance decreases considerably.     

超声速转子叶片非定常引射器流场特性数值模拟

采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对超声速转子叶片非定常引射器进行了模拟。从结果可以看出:此类引射器内流态复杂,主气流出口斜激波干扰现象明显,叶片设计参数对引射器性能影响很大。叶片尾部的膨胀波有效诱导了被引射气流,在短距离内增强了气流混合,湍流效应对引射器性能的影响较小;叶片可维持自旋转,提升叶片转速可增强引射效率。最后,对引射器内的流动机理进行了探讨。     

超声速转子叶片非定常引射器流场特性数值模拟

采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对超声速转子叶片非定常引射器进行了模拟。从结果可以看出:此类引射器内流态复杂,主气流出口斜激波干扰现象明显,叶片设计参数对引射器性能影响很大。叶片尾部的膨胀波有效诱导了被引射气流,在短距离内增强了气流混合,湍流效应对引射器性能的影响较小;叶片可维持自旋转,提升叶片转速可增强引射效率。最后,对引射器内的流动机理进行了探讨。