欠膨胀射流失稳机理及关联流场结构特征数值分析

Fast and effective mixing of fuel jets with high nozzle pressure ratio (NPR) is a key problem in the design of scramjet, and understanding of the destabilization mechanism of shear layer of underexpanded jets is the foundation for designing and optimizing mixing enhancement methods. However, the flow structures closely related with shear layer instability have complex interactions and assume different characteristics with the variation of NPR, and the revealment of the cause and effect in the interactions, i.e. destabilization mechanism, and the variation rule of destabilization states with NPRs needs high temporal and spatial resolution. This project will reveal the changing rule of the characteristics of destabilization-related flow structures, such as helical modes, in the unsteady evolution process of underexpanded jets in different degrees based on Large Eddy Simulation, then analyze the mechanism in the destabilization of jet cores and investigate the influence law of injection manner and active excitation on the jet destabilization. This project aims to lay a theoretical foundation for the enhancement of fuel mixing performance of underexpanded fuel jets by deliberately utilizing active excitation and the optimization of existing mixing enhancement methods in supersonic combustors through revealing the destabilization mechanism of underexpanded jets in different degrees and exploring the active control of jet destabilization process based on the revealed destabilization mechanism.

高喷压比燃料射流的快速有效混合是超燃冲压发动机设计中面临的重要问题，而对欠膨胀射流剪切层失稳机理的理解是设计和优化混合增强方法的基础。然而，与剪切层不稳定性密切相关的流场结构存在复杂的相互作用并且随喷压比的不同而呈现出不同的特征，对其相互作用因果关系即失稳机理和失稳状态规律的揭示需要较高的时间和空间流场分辨率。本项目拟基于大涡模拟系统地揭示不同程度的欠膨胀射流非稳态演化过程中螺旋模态等失稳关联流场结构特征的变化规律，分析射流核心失稳过程中的失稳机理，并考察喷注方式与主动激励对射流失稳过程的影响规律。本项目旨在通过揭示不同程度的欠膨胀射流失稳机理和探索基于失稳机理的射流失稳过程主动控制，为有目的地利用主动激励增强欠膨胀燃料射流的混合性能以及设计和优化现有超声速燃烧室混合增强方法奠定理论基础。

高喷压比燃料射流的快速有效混合是超燃冲压发动机设计中面临的重要问题，而对欠膨胀射流剪切层失稳机理的理解是设计和优化混合增强方法的基础。本项目基于自主开发的可压缩高保真大涡模拟程序AstroFOAM开展了如下研究工作，1）系统地了揭示喷压比5.6-11.21之间不同程度欠膨胀射流非稳态演化过程中激波胞格、螺旋模态、下游漩涡和声场等失稳关联流场结构特征的变化规律；2）深入分析了欠膨胀射失稳的内在机理，即各流场结构的相互作用规律，明确地指出了螺旋模态结构与射流失稳之间的强关联性；研究首次从频谱分析角度分析了欠膨胀射流各流场结构之间的关联；首次从计算结果中观察到激波胞格的震荡频率、螺旋模态的周转频率和激波啸叫频率存在高度一致性；3) 系统地考察了喷压比、燃料、喷口几何形状等喷注方式，以及声扰动和涡扰动两种主动激励方式对射流失稳特性和混合效率的影响; 提出了一种欠膨胀射流失稳主动控制的独特设计思路；本研究首次探索了基于流场特征频率(如激波啸叫频率、第二啸叫频率等)对射流失稳过程进行主动控制；研究发现特频激励不仅改变了欠膨胀射流的失稳特性而且改变了其螺旋模态；首次探索了涡扰动对欠膨胀射流失稳和混合过程的影响，发现即使小幅的涡扰动也对射流失稳产生显著影响。本项目通过揭示不同程度的欠膨胀射流失稳机理和探索基于失稳机理的射流失稳过程主动控制，为有目的地利用主动激励增强欠膨胀燃料射流的混合性能以及设计和优化现有超声速燃烧室混合增强方法奠定了理论基础。本项目执行期间共发表SCI论文14篇， EI论文8篇，申请专利2项（已授权1项），软件著作权3项（已授权），获得国际奖项1项（AIAA最佳论文奖）。在超声速流动计算与欠膨胀射流不稳定性理论等方面培养了博士研究生 2 名，硕士研究生 2 名。