平面超声速引射器内部流动的大涡模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug252014V01．35No．82136-2143ISSN1000-6893CN1I一1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn平面超声速引射器内部流动的大涡模拟许常悦*，周涛，王从磊南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：采用大涡模拟(LES)方法对平面超声速引射器的内部流动进行了数值研究。为了验证LES方法的可靠性，对计算结果和实验数据进行了定量对比，对比的物理量有速度和温度剖面。结果表明当前计算结果和实

2、验数据吻合得较好，这说明LES方法能够有效地研究此类问题。引射器主射流的失稳过程与自由射流的失稳过程相同，分为增长、失稳和混合3个阶段。Lamb矢量散度的分布表明，混合室内部的混合过程被限制在狭小的带状区域。混合室内压力信号的功率谱分析表明，主射流的失稳主导着混合室内部流体的混合过程，其特征s￡数约为0．27。关键词：可压缩流动；引射器；射流；大涡模拟；湍流中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)08—2136—08超声速引射器是一种构造简单的流体机械，它可以利用流体传递质量和能量。当超声速引射器工作时，由于工作射

3、流的吸气效应，使得二次流中的流体被吸人混合室，进而在混合室中发生流体混合、再压缩、激波／湍流相互作用等复杂流动物理现象。目前超声速引射器在工业上得到了广泛的应用[1]，如制冷、喷气推进和航空救生等领域，故而人们对其进行了大量的理论、实验和数值研究。超声速引射器的理论研究以半经验的一维模型为主[2]。Keenan等口1率先提出了一维理论模型，该模型假设引射器内的气体首先发生等面积混合，然后进行等压混合。Huang等[4]对此类一维理论模型进行了改进，假设气体的等压混合发生在引射器的等截面处，并用该模型分析了超声速引射器在临界模态下的引射性能。需要指出的是

4、，一维模型虽然能够用于研究超声速引射器的引射性能，却无法预测其内部的复杂流动现象，导致了其应用的局限性。目前，超声速引射器的实验研究主要关注流动结构的显示、引射器构型优化和引射性能分析等。Kim和Kwon[5书1分析了4个构型参数对引射性能的影响，即主喷管出口和喉部直径比、混合室收缩角、第二喉部面积及其长径比；Bouhanguel等[73尝试采用粒子图像测速(PIV)手段对超声速引射器内部流场进行定量测量；Chen等[81采用纹影法观测了不同压比工况下混合室前端处的流场结构。近年来，随着计算机性能的迅速发展，计算流体力学(CFD)逐渐成为研究引射器的重

5、要方法[2．9。1⋯。Varga等[101采用愚一￡模型数值研究了喷管喉部面积和混合室截面积比对引射器引射性能的影响，研究发现存在最优的比例值；Bar—tosiewicz等[21选用6种常用的湍流模型用于研究收稿日期：2013·11—14；退修日期：2013—12—05：录用日期：2013—12—16：网络出版时间：2013—12—2016：20网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V201312201620006html基金项目：国家自然科学基金(11202100)；江苏省自然科学基金(BK2011723)；中央高

6、校基本科研业务费专项资金(NS2012032)；江苏省博士后科研资助计划(0902001c)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．Tel．：025—84896059E—mail：cyxu@nuaaeducn引用耱武IXuCY．ZhouT．WangCLLargeeddysimulationofflowinaplanesupersonicejector￡JIActaAeronauticaetAstronauticaSini．ca．2014，35(8)：2136．21437许常悦，周涛．I扶磊平面超声速引射器内部流动的大涡模拟[J]．航空学报．201

7、4．35(8)：2136-2143．许常悦等：平面超声速引射器内部流动的大涡模拟超声速引射器内部流动，并对这6种湍流模型进行了评估；Desevaux等[1妇采用CFD方法捕捉引射器内部的流场结构，并与激光层析实验观测到的流场进行对比，结果表明数值模拟预测的堵塞和非堵塞模态与实验相符较好。目前关于引射器的数值研究方法还以雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程为主。RANS方法的缺点是获得的湍流信息量少，模型普适性较差，并依赖于经验参数。在湍流的数值模拟中，大涡模拟(LES)方法是一种较为有效的数值计算方法。LES方法直接计算湍流中较大尺度的涡

8、，而将动力学意义不大的小涡用亚格子模型来模拟，故可以反映较多的湍流物理信息，具有较好的普适性，