陳曉龍 ,何國強 ,劉佩進,肖 波,岳 赟

(西北工業(yè)大學燃燒、流動和熱結構國家重點實驗室陜西西安 710072)

0 引 言

引起固體火箭發(fā)動機中出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的因素眾多,當旋渦的脫落頻率與燃燒室聲腔的某階固有頻率相等時,將引起共振從而產(chǎn)生壓強振蕩,是引起燃燒不穩(wěn)定的原因之一,稱之為聲-渦耦合機理[1]。然而旋渦本身是一種四極子聲源,其與聲場之間的耦合作用很弱[2]。但渦撞擊下游障礙物時,卻很容易引起共振。研究表明聲/渦耦合機理涉及到旋渦的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播及其撞擊下游壁面等過程[3]。為了提高對上述機理的認識和理解,研究固體火箭發(fā)動機燃燒室中旋渦運動便顯得非常必要和重要[4],此外,實際流體總是有旋的。旋渦空間分布的不均勻性對整個流場的運動學和動力學性質(zhì)將產(chǎn)生很大的影響,因此,研究旋渦的產(chǎn)生、傳播和破碎等過程是非常有意義的[5]。

流場顯示技術能夠獲得對流場最直接的認識,可以為上述的機理提供旋渦存在及其如何運動的依據(jù)。然而,固體火箭發(fā)動機中的高溫高壓環(huán)境給燃燒室中流場顯示帶來了巨大的困難,僅能通過冷流實驗來進行研究。目前流場顯示技術發(fā)展迅速,在分離與旋渦流動分析中起到了重要的作用[6]。PIV因其能在測量流速的同時顯示流場中瞬時旋渦結構而倍受人們歡迎,并得到了廣泛的應用[7-10]。Anthoine等人[7]使用PIV研究了Ariane5的P230的縮比模型中障礙渦脫落,此外,Fabignon等人[11]使用PLIF研究了模型實驗器VECLA中的表面渦脫落。然而這些研究只獲得了流場某一瞬間的旋渦結構及其分布,這是因為PIV使用的是脈沖激光器,其頻率有限,只能達到幾十赫茲[7,9],無法捕獲某一旋渦的發(fā)展及其撞擊下游壁面等過程。固體火箭發(fā)動機中存在的渦脫落大概可以分為3種類型[11]：障礙、表面和轉角渦脫落。國外的研究主要是針對前兩種類型,對轉角渦脫落的研究未見諸于公開文獻。

因此,針對包含后向臺階和潛入式噴管的二維縮比實驗器,該實驗器可以模擬使用潛入式噴管的翼柱形裝藥固體火箭發(fā)動機中翼槽燒完時內(nèi)流場的幾何構型。通過搭建高速攝影平臺,對轉角渦脫落的詳細運動過程進行了實驗研究,研究結果可以提高對真實固體火箭發(fā)動機中流動的認識,可以加深對聲-渦耦合機理的理解,并為數(shù)值計算方法提供實驗驗證。

1 實驗系統(tǒng)

整個實驗系統(tǒng)由4部分組成：包含后向臺階和潛入噴管的二維縮比實驗器、高速攝影平臺和實驗室現(xiàn)有的來流供給系統(tǒng)和示蹤粒子加入裝置(圖1)。

圖1 二維縮比發(fā)動機實驗器Fig.1 2D scaled experimental motor

1.1 二維縮比發(fā)動機實驗器

考慮到真實固體火箭發(fā)動機的流量較大,地面空氣儲罐氣源總量無法滿足直接使用發(fā)動機原型進行實驗,且真實固體火箭發(fā)動機的結構較大,需要觀察的區(qū)域也較大,所以采用二維縮比模型,以便在實驗器上安裝光源和觀察玻璃窗,從而實現(xiàn)對旋渦運動的拍攝。實驗器內(nèi)通道高為50mm,寬為80mm,其內(nèi)部結構如圖2所示,實驗器的噴管喉部面積可調(diào)。為了能夠拍攝到后向臺階與潛入式噴管之間旋渦運動的詳細過程,光源位于觀察窗正下方(圖3),但潛入式噴管背區(qū)空腔(如圖2中背光區(qū)域所示)的內(nèi)部流動細節(jié)則無法獲得。

使用實驗室現(xiàn)有的示蹤粒子加入裝置,將直徑為1～10μ m的Al2O3粉末,在混合段加入實驗器中,通過多孔板,粉末跟來流常溫空氣能達到一個較好的混合狀態(tài),以滿足流場顯示。

圖2 實驗器的內(nèi)部結構圖Fig.2 Internal structure of the experimental motor

圖3 觀察窗窗口Fig.3 Visualization window

1.2 高速攝影平臺

高速攝影平臺由片光系統(tǒng)和高速數(shù)字相機組成。片光系統(tǒng)包括激光器、光導臂和片光轉換裝置(如圖4所示)。使用光導臂將由激光器發(fā)出的波長為322nm激光導送到片光源玻璃窗下方(如圖 4所示),通過片光轉換裝置,轉換成片光,片光與主流流動方向平行(如圖5所示),高速數(shù)字相機垂直于該片光進行拍攝。

圖4 片光系統(tǒng)組成Fig.4 Sheet laser light system

圖5 片光源效果圖Fig.5 Sheet laser light

實驗中使用的高速數(shù)字相機為Phantom4.3,如圖1中所示,分辨率設置為512mm×384mm,采樣頻率設置為2999幀/s。

2 典型實驗工況

實驗時,來流為常溫空氣,喉部面積為983.1mm2,實驗器內(nèi)的靜壓為0.36MPa,實驗時的通道中的來流馬赫數(shù)為0.14。由于激光片光源的寬度的限制,同一工況一共進行了3次拍攝。

3 實驗結果分析

湍流是流體的一種復雜流動,以流動的某一局部區(qū)域存在不規(guī)則運動為標志。從本質(zhì)上來說旋渦展現(xiàn)了流體的一種局部化的“有序結構”形式[12]。實驗器內(nèi)流場的流動是極其雜亂,但又存在一定的規(guī)律性,其雜亂體現(xiàn)在該區(qū)域的流動不再是穩(wěn)定的層流,存在著明顯的流動分離和強烈的旋渦運動,而其規(guī)律性正是體現(xiàn)在旋渦的有規(guī)律地脫落、傳播和破碎過程。這也正體現(xiàn)了湍流同時具有隨機性和有序性[13]。

3.1 旋渦的識別

利用示蹤粒子的散射作用,則圖片中黑色代表沒有粒子分布,而白色代表有粒子分布。那么如果示蹤粒子的比重比流體介質(zhì)的大,則離心力大于粒子上的壓力差,粒子將向外偏移[14]。粒子將被“甩”出,從而使得渦核附近處于近乎無粒子的狀態(tài),出現(xiàn)所謂的“黑洞”現(xiàn)象[7],即如圖8(a)中的紅色橢圓所示。實驗中旋渦產(chǎn)生和脫落初期,渦量大而尺度小,粒子無法跟隨旋渦運動,被甩出渦核區(qū),此時“黑洞”現(xiàn)象即說明旋渦的存在,而在潛入式噴管的空腔區(qū)附近,渦量小而尺度大,粒子能夠跟隨大尺度旋渦作旋轉運動,以此作為旋渦存在的判據(jù)。

3.2 典型流動區(qū)域劃分

實驗后拆除潛入式噴管,發(fā)現(xiàn)實驗器通道內(nèi)腔側壁上粒子的粘附情況存在如圖6所示的現(xiàn)象,三角形區(qū)域內(nèi)很“潔凈”,粒子粘附較少,對流動分析后認為,這是因為較為強烈的旋渦運動使得粒子較難粘附于側壁三角形區(qū)域內(nèi),并且強烈的旋渦運動對三角形區(qū)域內(nèi)已粘附的粒子亦有“清掃”作用。此外,雖然三角形區(qū)域上方也存在旋渦運動,但流速和旋渦強度均較低,對該區(qū)域側壁上已粘附粒子的“清掃”作用較小。據(jù)此,將觀察區(qū)分為3個典型流動區(qū)：主流區(qū)、旋渦脫落區(qū)和空腔區(qū),如圖3所示。下面將對后兩個區(qū)域內(nèi)的旋渦運動進行詳細分析。

3.3 旋渦脫落區(qū)

為了便于分析,圖中保留該圖片的當?shù)貢r刻,并在圖片下方注明兩張圖片之間的時間間隔,Δt為343～345μ s之間。此外,選擇所關心區(qū)域,局部放大顯示其流動細節(jié),從而減少圖片中的無關信息。

(1)由圖7(示蹤粒子加入初期,此時粒子還沒進入空腔區(qū)內(nèi))和圖8可以看出：流動在后向臺階處發(fā)生分離,產(chǎn)生旋渦,旋渦逐個脫落,在隨主流向下游傳播的過程中,其尺度逐漸變大。圖7(a)和圖8(a)中橢圓處分別產(chǎn)生一個旋渦,經(jīng)過3Δt時間后,幾乎在同一位置又產(chǎn)生另一個旋渦,因此可以得出旋渦的脫落頻率大約為968Hz。

圖6 實驗器內(nèi)腔側壁上示蹤粒子粘附情況Fig.6 Particles on the internal side wall

圖7 示蹤粒子加入初期的渦脫落Fig.7 Vortex shedding at the begging of particles addition

圖8 渦脫落頻率分析Fig.8 Vortex shedding frequency analysis

(2)從圖9可以看出連續(xù)兩個旋渦(分別為旋渦A和旋渦B)先后撞擊潛入式噴管潛入段發(fā)生破碎的過程,并且在旋渦破碎后,一部分進入潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi),而另一部分隨主流流出噴管。

圖9(a)～(d)為旋渦 A撞擊潛入段的過程。圖9(e)～(h)為旋渦B的撞擊過程。圖9(c)和(h)分別為旋渦A和B撞擊到相似位置的時刻,可以看出旋渦撞擊的間隔時間大約為5Δt,因此可以得出旋渦撞擊噴管的頻率大約為581Hz,旋渦的撞擊頻率比旋渦的脫落頻率低。

圖9 旋渦撞擊噴管潛入段發(fā)生破碎Fig.9 Break-down of vortex due to its impingement of submerged nozzle

3.4 空腔區(qū)

空腔區(qū)分為兩個子區(qū)域,分別為潛入式噴管附近的空腔區(qū)和緊靠后向臺階的空腔區(qū),這兩個子區(qū)域的氣流流速均較低,但流動細節(jié)卻存在著一定的差異。

3.4.1 潛入式噴管附近的空腔區(qū)

(1)該區(qū)域存在著較為明顯的大尺度旋渦運動,并且出現(xiàn)了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度的旋渦運動的現(xiàn)象,潛入式噴管空腔中不斷有小尺度旋渦(如圖10(a)和11(e)中的圓圈所示)流出,伴隨大尺度的旋渦運動,最終被大尺度旋渦吞并。此外,大尺度的旋渦運動又會在上壁面卷起小尺度旋渦,這是因為大尺度旋渦在壁面附近引起邊界層分離。這與作者進行的大渦模擬[14]所得的結果接近,在潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi)部這種現(xiàn)象將更為明顯。大尺度旋渦在壁面卷起的小尺度旋渦使得空腔區(qū)的流動更為雜亂。

圖10 上壁面處產(chǎn)生的新的小尺度旋渦Fig.10 New small scale vortex generated on the internal upper-wall

圖11 潛入式噴管附近空腔區(qū)內(nèi)的旋渦運動Fig.11 Vortical motions in the cavity close to the submerged nozzle

(2)從圖11可以看出,潛入式噴管附近空腔區(qū)的流動對旋渦脫落區(qū)的流動存在影響,當該區(qū)域內(nèi)的大尺度旋渦運動沒有侵入旋渦脫落區(qū)時,旋渦脫落區(qū)的旋渦C(如圖11(a)所示)隨主流向下游傳播的速度變慢,將“等待”下一個旋渦D,并且在向下游傳播的過程中兩個旋渦逐漸變形,在圖11(e)中兩個旋渦幾乎重疊(如圖中矩形方框中所示),但最后因為大尺度旋渦運動的卷吸作用旋渦C直接進入潛入式噴管背區(qū)空腔內(nèi),而旋渦D則撞擊在潛入式噴管潛入段(如圖11(g)所示)。這也是旋渦的撞擊頻率低于旋渦的脫落頻率的原因之一。此外,當該區(qū)域內(nèi)的旋渦運動尺度相對較大時,將侵入渦脫落區(qū),從而使得渦脫落區(qū)中旋渦向主流區(qū)靠近。

3.4.2 緊靠后向臺階的空腔區(qū)

從整個過程來看,示蹤粒子加入初期,粒子只分布到旋渦脫落區(qū)上沿,而不會向上運動到空腔區(qū)內(nèi),然后,由潛入式噴管附近空腔區(qū)的大尺度旋渦運動卷吸向上游傳播而來。該區(qū)域內(nèi)的流動細節(jié)與潛入式噴管附近空腔區(qū)的類似,但量級上存在差別,旋渦運動沒有潛入式噴管附近空腔區(qū)明顯,旋渦的強度較小。從圖12可以看出,后向臺階與上壁面的交界將形成貼壁小尺度旋渦(如圖12(a)所示),該旋渦的尺度逐漸變大,并向旋渦脫落區(qū)方向移動,與此同時,周圍也存在許多小尺度旋渦運動。

圖12 后向臺階空腔旋渦運動Fig.12 Vortical motions in the cavity close to the backward-facing step

4 結 論

(1)搭建的高速攝影平臺,借助連續(xù)片光流場顯示技術,利用示蹤粒子的散射作用,能夠揭示內(nèi)流場中的旋渦運動細節(jié),可以提高對真實固體火箭發(fā)動機中流場的認識;

(2)根據(jù)流動細節(jié)可以得出,二維縮比發(fā)動機實驗器的內(nèi)流場可以分為3個典型的流動區(qū)域,分別為主流區(qū)、旋渦脫落區(qū)和空腔區(qū)。有規(guī)律的旋渦脫落、傳播以及破碎過程主要發(fā)生在旋渦脫落區(qū)。空腔區(qū)中出現(xiàn)了典型的小尺度旋渦伴隨大尺度旋渦一起做旋轉運動的現(xiàn)象;

(3)旋渦的脫落頻率大于其撞擊潛入式噴管的頻率。

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