【摘要】：波瓣混合器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)增加推力、降低油耗、抑制排氣噪聲與紅外輻射等方面展現(xiàn)出了諸多的優(yōu)勢(shì),因此被廣泛應(yīng)用于中小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)混合排氣系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái),學(xué)者致力于軸向進(jìn)氣時(shí)波瓣混合器加速內(nèi)外涵摻混的機(jī)理研究。然而,發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高要求低壓渦輪的負(fù)荷增大,對(duì)于使用高負(fù)荷低壓渦輪的高性能發(fā)動(dòng)機(jī),波瓣混合排氣系統(tǒng)的內(nèi)涵進(jìn)口氣流存在預(yù)旋,該進(jìn)口預(yù)旋會(huì)顯著削弱波瓣混合排氣系統(tǒng)性能,進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。雖然也有學(xué)者對(duì)來(lái)流預(yù)旋條件下波瓣混合器機(jī)理及性能變化進(jìn)行了研究,但通過(guò)改變波瓣混合器結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)來(lái)流預(yù)旋的研究卻鮮有報(bào)道。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)波瓣混合器排氣系統(tǒng)的縮比模型為研究對(duì)象,提出了基于葉片造型理論的消旋波瓣混合器設(shè)計(jì)方法。并以中科院工程熱物理研究所的低速同心雙環(huán)流風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)為依托,借助七孔探針和熱線風(fēng)速儀等測(cè)量手段,輔之以數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)基準(zhǔn)波瓣和消旋波瓣進(jìn)行了細(xì)致地研究。在理清基準(zhǔn)波瓣摻混機(jī)理的基礎(chǔ)上,深入探討了消旋波瓣幾何參數(shù)及來(lái)流預(yù)旋角變化對(duì)消旋波瓣摻混機(jī)理的影響,對(duì)比分析了消旋波瓣與基準(zhǔn)波瓣摻混機(jī)理的變異機(jī)制,并進(jìn)一步探索了切凹扇處理對(duì)兩種波瓣摻混機(jī)理及其性能的影響。主要研究結(jié)論如下:對(duì)基準(zhǔn)波瓣混合器的研究表明,波瓣的特殊交變褶皺結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)形成大尺度的流向渦,并在波瓣下游流場(chǎng)中形成與波瓣尾緣截面形狀一致的正交渦環(huán),流向渦與正交渦環(huán)的相互作用以及渦系自身的破碎共同支配著內(nèi)外涵兩股流體的摻混。在進(jìn)口預(yù)旋條件下,中心錐與波谷之間形成的泄漏流加速了波谷附近內(nèi)外涵兩股流體的摻混,但也極大的削弱了波瓣混合排氣系統(tǒng)的性能;波瓣內(nèi)表面背風(fēng)面形成具有大面積低壓區(qū)的吸力面,吸力面附近內(nèi)涵流體的流動(dòng)狀態(tài)惡化。對(duì)兩種波瓣的對(duì)比研究表明,在進(jìn)口預(yù)旋工況下,消旋波瓣調(diào)整吸力面?zhèn)褥o壓分布,改善了吸力面附近內(nèi)涵流體的流動(dòng),但對(duì)波谷與中心錐之間泄漏旋流強(qiáng)度的影響較小。消旋波瓣的彎角決定了波瓣的載荷和整流能力,消旋波瓣的幾何出口角決定了波瓣尾緣截面中徑處氣流的周向角度。波瓣尾緣截面周向氣流角的分布決定了波瓣下游流向渦的形成與發(fā)展,波瓣中徑處具有較大氣流角的周向旋流抑制了波峰處順時(shí)針流向渦的形成、促進(jìn)了波峰處逆時(shí)針流向渦的形成,消旋波瓣增加了波瓣吸力面附近流體的徑向靜壓梯度,一定程度上增加波峰處順時(shí)針流向渦的強(qiáng)度。另外消旋波瓣也通過(guò)改變順、逆時(shí)針流向渦核的相對(duì)位置,增加了對(duì)正交渦環(huán)的拉伸從而加速了兩股流體的摻混。在多個(gè)進(jìn)口預(yù)旋工況下,消旋波瓣均改善波瓣吸力面附近流體的流動(dòng),其總壓損失以及推力性能均優(yōu)于基準(zhǔn)波瓣。切凹扇波瓣的內(nèi)外涵兩股流體在凹扇型缺口內(nèi)開(kāi)始相互作用,提前引入了流向渦、增加了內(nèi)外涵流體的摻混。進(jìn)口預(yù)旋抑制了切凹扇基準(zhǔn)波瓣吸力面凹扇型缺口下段附近內(nèi)涵流體向外涵的刺入作用,而切凹扇消旋波瓣則減小了該抑制作用。切凹扇處理均會(huì)在下游流場(chǎng)凹扇型下切痕附近形成附加流向渦對(duì),導(dǎo)致波瓣的整流能力下降,而消旋波瓣整流能力的下降程度大于基準(zhǔn)波瓣,同樣的切凹扇形狀導(dǎo)致兩波瓣尾緣截面不同的氣流角分布,切凹扇消旋波瓣附加流向渦的強(qiáng)度大于切凹扇基準(zhǔn)波瓣。在高進(jìn)口預(yù)旋工況下,對(duì)波瓣進(jìn)行切凹扇處理會(huì)減小波瓣輸出推力,但切凹扇消旋波瓣的推力依然大于切凹扇基準(zhǔn)波瓣。
【圖文】：

逑溫、}榞逡逑圖ｌ．ｉ波瓣混合器二維示意圖１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ丨？丨逡逑１９６６年，Ｆｒｏｓｔ首次成功地將波瓣混合器應(yīng)用到Ｓｐｅｙ和Ｃｏｎｗａｙ縮微模型逡逑發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)上，極大地提高了推重比、減少耗油率、降低了噪聲［１７］。隨后，逡逑波瓣混合器在很多渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上都取得很好的應(yīng)用效果，如ＣＦＭ５６－５Ｃ、逡逑ＰＷ６０００、Ｔｍｎｔ７００等。近年，波瓣混合器也被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)自主研制的航空發(fā)動(dòng)逡逑機(jī)排氣系統(tǒng)上，如中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所在研的某小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)逡逑（圖１．２）也采用了波瓣混合排氣系統(tǒng)。逡逑圖１．２中科院工程熱物理研宄所在研的某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｍｉｎｉ－ｔｙｐｅ邋ｔｕｒｂｏｆａｎ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋ＩＥＴ邋ＣＡＳ逡逑波瓣混合器在中小涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)上己有著廣泛的應(yīng)用，但其摻混機(jī)理逡逑還有待進(jìn)一步明確，波瓣混合器的結(jié)構(gòu)形式還有待進(jìn)一步優(yōu)化，波瓣混合器與逡逑排氣系統(tǒng)其他部件及其上游部件的配合形式還有待進(jìn)一步優(yōu)化探宄。綜上所述

邐°９逡逑桘泰逡逑笤中ａ魏ｈ邐？＇‘：．’逡逑圖１．３波瓣混合器主要參數(shù)示意圖１５１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ｌｏｂｅｄ邋ｍｉｘｅｒ１５１逡逑１．４瓣混合器摻混機(jī)理研究逡逑上述研宄的目的主要是為了建立波瓣幾何、氣動(dòng)參數(shù)對(duì)波瓣混合排氣系統(tǒng)逡逑總體性能影響的數(shù)據(jù)庫(kù)，以?xún)?yōu)化波瓣混合器的設(shè)計(jì)，但其研宄側(cè)重于實(shí)際工程逡逑應(yīng)用，對(duì)波瓣加速射流摻混機(jī)理的研宄不夠深入，關(guān)于波瓣混合器摻混機(jī)理的逡逑研究主要在于下游渦系（圖１．４）的發(fā)現(xiàn)與相互作用過(guò)程研究。逡逑１９７８年，Ｂｉｒｃｈ等［２６］首次使用數(shù)值模擬方法對(duì)波瓣混合器流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，逡逑但卻沒(méi)有細(xì)致的分析波瓣下游流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在接下來(lái)的幾年里學(xué)者們對(duì)波瓣下游逡逑流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及摻混機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，，Ｐｏｖｉｎｅｌｌｉ＆ＡｎｄｅｒｓｃＷ２７１使用數(shù)值和試驗(yàn)逡逑方法在波瓣混合器下游發(fā)現(xiàn)了二次流結(jié)構(gòu)，指出由波瓣交變結(jié)構(gòu)引起的二次流逡逑進(jìn)而誘導(dǎo)形成的流向渦加速了射流的摻混，該流向渦決定了噴管出口截面的溫逡逑度分布。隨著測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，Ｐａｔｅｒｓｏｎ和Ｗｅｒｌｄ２８１利用ＬＤＶ測(cè)量了波瓣下游逡逑射流流場(chǎng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V235.13

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2594805