超临界环境下自由射流剪切层的时空稳定性

The flow stability of supercritical shear layer has great influence on the spray and mixing of propellants in combustion chamber of liquid rocket engine. It is of both great practical and theoretical interest to study the stability of supercritical shear layers. It is planed to study the spatial-temporal stability behavior and destabilization modes of the supercritical shear layer of Hydrogen/Oxygen coaxial jet in this project. The real-gas effects and the velocity profile, temperature profiles and density distribution will be taken into account in the analysis. The governing equations, boundary conditions and equations of state for supercritical fluid will be linearized based on the normal mode perturbations. The eigenvalue problem of disturbance wave number and frequency will be solved with spectral method. The disturbance wavenumber and frequency of the supercritical shear layer will be precicted. The effects of physical properties and flow parameters on the stability of shear layer will be discussed. The dominant destabilizing modes will be detected and the physical essence of the destabilizing modes will be analyzed. The transition boundaries for absolute/convective instability will also be found out. This project aims at finding out the destabilizing mechanism of the supercritical shear layer and the influence of shear layer stability on the mixing process, to provide theoretical basis for the design of Hydrogen/Oxygen injectors for liquid rocket engine.

超临界自由射流剪切层流动稳定性对液体火箭发动机燃烧室内推进剂的喷注及掺混过程有重大影响，开展该问题的研究具有重要的应用背景和学术价值。本项目以超临界氢/氧同轴射流剪切层为研究对象，开展时空模式稳定性和失稳模式研究。考虑真实气体效应以及剪切层平均流的速度型、温度和密度分布，采用正则模形式的小扰动分析方法对流动控制方程、边界条件和超临界流体状态方程进行线性化，并使用谱方法数值求解关于扰动波数和频率的特征值问题。预测超临界剪切层不稳定波长和频率，分析超临界流体物性参数、流动参数等对剪切层稳定性的影响，考察优势失稳模式，分析造成不同失稳模式的物理本质，找出绝对/对流不稳定之间相互转换的参数边界。本项目以揭示超临界自由射流剪切层的失稳机理为目标，探索剪切层流动稳定性对掺混过程的影响规律，为氢氧喷注器设计提供理论依据和指导。

当今世界各国的大推力液体火箭发动机，其燃烧室工作压力和温度大都高于推进剂的临界压力和温度，使得推进剂在进入燃烧室后部分呈现超临界流体的性质。因此，开展热力学超临界自由射流剪切层流动稳定性的研究具有重要的应用背景和学术价值。本项目以超临界射流剪切层为研究对象，开展了时/空模式稳定性分析和失稳模式研究。超临界流体等压线上存在一个拐点，当温度跨越这个拐点时，流体的可压缩系数以及密度变化将非常剧烈，这种情况下仍然使用理想气体假设将带来较大偏差。本项目使用Soave-Redlich-Kwong状态方程（SRK方程）来考虑非理想的真实气体效应，并考虑剪切层平均流的速度型、温度和密度分布，采用正则模形式的小扰动分析方法对流动控制方程、边界条件和超临界流体状态方程进行线性化，并使用谱方法分别在时间模式、时空模式和空间模式下数值求解关于扰动波数和频率的特征值问题。结果表明，所建立的模型能预测超临界剪切层不稳定波长和频率，并分析了超临界流体物性参数、流动参数等对剪切层稳定性的影响。影响剪切层稳定性的主要因素为：速度比、密度比、由于靠近临界点热力学性质剧烈变化引起的大密度梯度、以及密度梯度极值点与速度梯度极值点之间的横向距离等。具体影响规律需结合实际工况中的温度范围以及具体温度分布路径进行分析。通过考察优势失稳模式，分析造成不同失稳模式占优的物理本质。结果表明，在某些工况下，改变某些无量纲参数会导致剪切层从对流不稳定转换为绝对不稳定，并找出了绝对/对流不稳定之间相互转换的参数边界。此外，还建立了一种使用渐进方法分析考虑速度分布的超临界液膜稳定性的方法。在亚临界液膜的控制方程中持续减小表面张力（即增加韦伯数），当韦伯数增加到足够大时，液膜稳定性的解将逐渐逼近一个固定值，此值即为超临界状态下的解。本项目以揭示超临界自由射流剪切层的失稳机理为目标，探索了剪切层流动稳定性对掺混过程的影响规律，将为大推力火箭发动机喷注器设计提供理论依据和指导。