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《hylte喷管流场混合性能的实验和数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第16卷 第10期强激光与粒子束Vol.16,No.102004年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2004文章编号:100124322(2004)1021240205XHYLTE喷管流场混合性能的实验和数值模拟研究施建华, 姜宗福, 袁圣付, 华卫红(国防科学技术大学定向能技术研究所,湖南长沙410073) 摘 要:用激光诱导碘荧光的方法对高超音速低温喷管的混合性能进行了测量,并用CFD软件FLUENT模拟了喷管的流场。两种方法所得的结果吻合得较好,在所给的参数条件下,燃料穿过氧化剂流,后者先被前者压缩,然后稍有膨胀
2、。两股气流充分混合的地方距喷管出口平面10mm左右。实验与模拟的主要差别在于两股气流相遇后,实验结果中气流方向变化不大,而在模拟结果中,气流方向改变为基本上与x轴平行。 关键词:高超音速低温(HYLTE)喷管;混合性能;激光诱导碘荧光(LIIF);荧光强度;数值模拟;摩尔分数 中图分类号:TN248.5文献标识码:A 氟化氘/氟化氢(DF/HF)化学激光器是目前连续出光功率最高的激光器之一,它以效率高、体积小、不需要外部能源等优点而倍受世界各国科学界的关注。然而随着功率的提高,激光器的尺寸越做越大,实验成本急剧上升,因此数值模拟方法在激光器的设计和研制中得
3、到越来越广泛的应用,但数值模拟毕竟是一种近似方法,其结果需要与实验进行比较。 喷管的混合情况是影响连续波DF/HF化学激光器性能和效率的一个主要因素。本文用激光诱导碘荧光(LIIF)法测量了目前被广泛使用、效率最高、代表化学激光器喷管发展方向的高超音速低温(HYLTE)喷管的混合情况,并用商用CFD软件FLUENT对该流场进行了数值模拟。通过分析两种方法所得到的结果,了解喷管的混合性能,并对该软件计算结果的精确性给出评价。1 喷管的结构和入口参数 目前,在燃烧驱动CWDF/HF化学激光器中广泛使用的是HYLTE喷管,它通过横向射流使反应面扭曲,喉道高度很小。
4、其氧化剂喷管为一型面喷管,在氧化剂喷表1 喷管的结构参数管的扩张段,沿气流流动的方向,依次为稀释剂喷管和燃Table1Structureparametersofnozzle料喷管,三者均为Laval喷管,其中氧化剂喷管为平面对nozzleα/(°)β/(°)l/mmh/mm称,其余两种为轴对称,其结构可参阅参考文献[1]。各oxidant45.0016.620.4000.200喷管的收缩角α、扩张角β、等截面长度l以及喉道高度fuel18.0515.001.0200.508diluent24.8215.000.9960.254h的大小见表1。表2 各喷管的入口总
5、压 在氧化剂喷管的同一型面上,燃料喷管和稀释剂喷Table2Totalpressureateachnozzle’sinlet管(统称为副喷管)的对称轴相互平行,之间的距离为3.nozzleoxidantfueldiluent172mm,它们与氧化剂喷管的轴线之间的夹角为25°。副pressure/MPa0.040.250.20喷管在氧化剂喷管的两侧交错排列,周期为5mm。 各喷管的入口总压见表2。2 喷管混合性能的实验测量[2～4] 激光诱导碘荧光是一种非常好的流场测量技术,在化学激光器的流场测量中得到广泛的应用。DF/HF化学激光器中含有氘/氢等活性极强
6、、极易与碘发生反应的原子,实验中用氦气代替原来的气体,并向其中一股气流中加入少量的碘气体。用激发激光照射流场,通过拍摄流场中碘分子的荧光图,就可以知道含碘分子气流的走向,从而得到流场的混合情况。考虑碘的消耗量、碘可能对喷管造成腐蚀的影响以及气流在流场中的作用,本实验在燃料流中加入碘分子。 实验装置如图1所示。514.5nm的氩离子激光经一圆孔光阑照射到柱透镜上,光束沿一个方向展开。流X收稿日期:2004203224;修订日期:2004205231基金项目:高等学校先进教师基金资助课题作者简介:施建华(1976—),女,江苏盐城人,博士生,目前主要从事强激光技术
7、研究;E2mail:gexin7651@sina.com。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第10期 施建华等:HYLTE喷管流场混合性能的实验和数值模拟研究1241场前端的狭缝光阑用于控制片光的厚度,即测量的空间精度。Fig.1Schematicdiagramofexperimentalset图1 实验装置图 作为燃料的氦气从高压气瓶出来并经过一个放在恒温槽中、装有碘晶体的铝盒后,分两路进入燃料喷管,碘气体的浓度由恒温槽的温度来控制。实验过程中,
8、恒温槽的温度不变,两次实
