趙 坤,刁志成,何立明,曾 昊,張勝利,謝祥勇

(1 空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院,西安 710038;2 95896部隊,河北滄州 061700;3 93716部隊,天津 300000;4 94855部隊,浙江衢州 324000)

0 引言

兩級脈沖爆震發(fā)動機(jī)(Two-stage pulses detonation engine,2-stage PDE)[1-3]是由俄羅斯的Levin等人[4]首次提出的一種基于環(huán)形連續(xù)超聲速射流對撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震原理的新形式脈沖爆震發(fā)動機(jī),主要由一級預(yù)燃裝置和二級激波聚焦起爆裝置構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、頻率高等優(yōu)點。目前國外關(guān)于2-stage PDE的研究比較多,繼俄羅斯于2001年成功起爆連續(xù)爆震之后,美國日本等國[5-6]分別開展了凹面腔內(nèi)激波聚焦過程的實驗與數(shù)值模擬并取得了一定的成果;國內(nèi)關(guān)于2-stage PDE的研究[7-11]開始較晚,而且多集中于暫沖式激波聚焦起爆爆震的實驗與數(shù)值模擬,少數(shù)單位[12-13]開展過連續(xù)超聲速射流對撞誘導(dǎo)激波聚焦的實驗,但是仍不夠深入。由于凹面腔內(nèi)聚焦的激波是由連續(xù)超聲速射流對撞產(chǎn)生的,所以研究清楚射流對撞的機(jī)理很有必要。文中結(jié)合前人的相關(guān)研究[14-15],開展了不同入射壓力條件下自由空間內(nèi)連續(xù)超聲速射流對撞的實驗和數(shù)值模擬,通過分析對撞區(qū)域的動態(tài)壓力和輻射噪聲來揭示射流入射壓力對連續(xù)超聲速射流對撞的影響規(guī)律。

1 實驗系統(tǒng)及數(shù)值算法介紹

1.1 實驗系統(tǒng)

文中采用的實驗系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、實驗段以及壓力測量系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 實驗段及測試系統(tǒng)示意圖

實驗段主要由對稱布置的兩個穩(wěn)壓罐以及射流噴管組成,噴管的截面積尺寸為寬度5 mm、厚度30 mm,噴管出口間距為126 mm。在穩(wěn)壓罐內(nèi)布置一個總壓傳感器用來測量超聲速射流的入射壓力,在兩噴管中點布置PCB動態(tài)壓力傳感器用來測量射流對撞位置的動態(tài)壓力,在距離噴管2 000 mm的垂直位置布置聲壓傳感器用來測量射流對撞時產(chǎn)生的輻射噪聲,其中動態(tài)壓力采樣頻率為500 kHz,聲壓采樣頻率為21.3 kHz。

1.2 數(shù)值算法及驗證

物理模型尺寸與實驗段實物的結(jié)構(gòu)尺寸相同,鑒于其對稱性,文中使用二維軸對稱模型。為節(jié)約計算資源并提高計算精度,初始網(wǎng)格尺寸為0.1 mm,根據(jù)密度梯度自適應(yīng)加密網(wǎng)格,射流噴口為壓力入口邊界,壓力與實驗取值相同,溫度為Tin=300 K,計算區(qū)域為壓力Pa=0.101 MPa、溫度Ta=300 K、填充空氣的環(huán)境條件。采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,求解器為分離式求解器,湍流模型為Realizablek-ε模型,算法為PISO算法,方程離散格式為二階迎風(fēng)格式。

為驗證文中算法的有效性,采用文獻(xiàn)[16]中所訴工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬,并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比,如圖2所示。圖2(a)為文獻(xiàn)中實驗得到的動態(tài)壓力時域局部放大圖,圖2(b)為文中數(shù)值算法計算出來的結(jié)果。通過對比可以發(fā)現(xiàn),實驗所得的動態(tài)壓力幅值、周期均與數(shù)值模擬所得結(jié)果吻合的較好,故可以說明文中采用的數(shù)值算法具有很好的可信度。

圖2 計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

2 實驗結(jié)果分析

分別在0.30 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa等6個不同的入射壓力下進(jìn)行實驗,依次測量對撞中心的動態(tài)壓力、對撞區(qū)域的輻射噪聲并結(jié)合FFT變換,分析了超聲速射流入射壓力對射流對撞的影響規(guī)律。

2.1 對動態(tài)壓力的影響

圖3為入射壓力分別為0.30 MPa、0.45 MPa、0.55 MPa三個典型入射壓力條件下對撞中心壓力脈動時域圖,可以看出,隨著入射壓力的不斷提高,動態(tài)壓力傳感器所測量到的壓力脈動幅值逐漸增大,故可以得出,入射壓力越高,射流對撞強(qiáng)度越大的結(jié)論。同時發(fā)現(xiàn)動態(tài)壓力幅值整體上具有較大的波動,這是因為動態(tài)壓力傳感器位置固定,而射流對撞位置會左右擺動,當(dāng)對撞中心與傳感器重合時,傳感器測得的動態(tài)壓力幅值較大。

圖3 不同入射壓力下動態(tài)壓力時域圖

對上述6種入射壓力條件下的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,得到如圖4所示的頻率變化曲線。從圖中可以看出,各入射壓力條件下都出現(xiàn)了基頻1 100 Hz左右和基頻3 900 Hz左右的頻率,根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的分析可以知道,1 100 Hz左右是射流對撞的頻率,而3 900 Hz左右是射流對撞中心的動態(tài)壓力傳感器固定支柱的固有振蕩頻率。隨著射流入射壓力的升高,射流對撞引起的壓力脈動頻率逐漸增大,由P=0.30 MPa時的1 036 Hz上升至P=0.55 MPa時的1 169 Hz。

圖4 不同入射壓力下動態(tài)壓力頻率

2.2 對輻射噪聲的影響

圖5 不同入射壓力下輻射噪聲頻率

圖5是超聲速射流入射壓力在0.3～0.55 MPa條件下,射流對撞產(chǎn)生的輻射噪聲頻率變化曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的論述,超聲速射流對撞過程中通常包括三種噪聲:湍流結(jié)構(gòu)所輻射出的湍流摻混噪聲,主要存在于低頻段,頻帶較寬,對應(yīng)的聲壓較小;非定常小擾動在噴口與激波胞格間正反饋產(chǎn)生的嘯叫,頻帶相對較窄,對應(yīng)的聲壓較高,呈現(xiàn)出突出的峰值;胞格結(jié)構(gòu)與湍流不穩(wěn)定波動的相互作用產(chǎn)生的寬頻帶激波相關(guān)噪聲,其頻率較高,對應(yīng)的聲壓較小。在文中,射流對撞后引起的壓力脈動作為初始的外界擾動在噴口與胞格結(jié)構(gòu)相互作用,產(chǎn)生了嘯叫,圖5中入射壓力條件下的頻率即為嘯叫頻率。

通過與圖5中對應(yīng)工況的射流對撞頻率對比,發(fā)現(xiàn)嘯叫頻率普遍要略小一些,根據(jù)文獻(xiàn)[14]中所述的嘯叫聲反饋放大機(jī)制可知,由射流對撞引起的壓力脈動作為初始擾動經(jīng)歷了較長的聲反饋回路,導(dǎo)致嘯叫頻率低于聲源的壓力脈動頻率。射流對撞引起的嘯叫頻率基本保持在1 100 Hz左右,且隨射流入射壓力增大而增大。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選擇與實驗相同的射流入射壓力條件下進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合FFT變換,分析射流對撞中心動態(tài)壓力及輻射噪聲的變化,進(jìn)一步研究入射壓力對射流對撞的影響。

3.1 對動態(tài)壓力的影響

圖6為數(shù)值模擬得到的三個典型入射壓力下兩噴口射流對撞中點的動態(tài)壓力時域圖?？梢钥闯?數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合,即隨著射流入射壓力增大,射流對撞中心動態(tài)壓力越大,射流對撞強(qiáng)度越大。同時還可以看出,圖6中的壓力曲線整體上沒有出現(xiàn)實驗結(jié)果中類似的波動,說明數(shù)值模擬中兩側(cè)射流強(qiáng)度一致,對撞區(qū)域相對穩(wěn)定。

對6種射流入射壓力條件下的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,發(fā)現(xiàn)各工況下都只存在一個頻率,即射流對撞導(dǎo)致的壓力脈動頻率,其大小隨射流入射壓力的增大而增大,如圖7所示。從中可以看出,隨著射流入射壓力的不斷增大,射流對撞中心的壓力脈動頻率由P=0.30 MPa時的890 Hz單調(diào)上升至P=0.55 MPa時的1 780 Hz,趨勢與實驗結(jié)果變化趨勢一致。但是在頻率的具體數(shù)值上,數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果差別較大,這主要是因為限于計算資源以及網(wǎng)格尺寸,無法捕捉到小尺寸渦的變化,而且數(shù)值模擬沒有考慮到實驗中的外界干擾、試驗器尺寸誤差。在6種入射壓力下都沒有發(fā)現(xiàn)3 900 Hz左右的頻率峰值,這進(jìn)一步說明了實驗中出現(xiàn)的這種頻率是傳感器固定支柱的固有振蕩頻率。

3.2 對輻射噪聲的影響

圖8是數(shù)值模擬得到的6種入射壓力下輻射噪聲頻率變化曲線。

從中可以看出,隨著入射壓力的逐漸提高,射流對撞所產(chǎn)生的嘯叫頻率的變化規(guī)律與實驗中所測得的規(guī)律吻合:當(dāng)入射壓力處于最低的0.30 MPa時,嘯叫的頻率為851 Hz,此后隨著入射壓力的不斷提高,嘯叫頻率值單調(diào)上升,直至入射壓力升高至0.55 MPa時,嘯叫頻率達(dá)到最大值1 701 Hz。本組數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果具有一定的差別,同樣是限于計算資源,網(wǎng)格仍然相對較大,無法捕捉到更加細(xì)微的流場結(jié)構(gòu)所致。

圖6 數(shù)值模擬不同入射壓力下動態(tài)壓力時域圖

圖7 數(shù)值模擬不同入射壓力下動態(tài)壓力頻率

4 結(jié)論

文中通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,通過分析射流對撞中心的動態(tài)壓力和輻射噪聲,研究了入射壓力對射流對撞的影響規(guī)律,得到的主要結(jié)論如下:

1)隨著射流入射壓力的增大,射流對撞導(dǎo)致的動態(tài)壓力幅值逐漸增大,頻率也逐漸增大。

2)隨著射流入射壓力的增大,射流對撞引起的嘯叫頻率逐漸增大。

3)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有同樣的變化趨勢,但是在具體數(shù)值上差別較大,這主要是因為網(wǎng)格尺寸相對較大,無法捕捉細(xì)微的流場結(jié)構(gòu),下一步需要提高數(shù)值模擬精度。

圖8 數(shù)值模擬不同入射壓力下輻射噪聲頻率