横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究

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1、中图分类号：V231.1论文编号：102870218-S027学科分类号：080701硕士学位论文横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究研究生姓名李经警学科、专业工程热物理研究方向传热传质指导教师张勃副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergy&PowerEngineeringTheInfraredRadiationandMixingEnhancementCharacteristics

2、ofNozzlePlumesinfluencedbyCross-flowAThesisinThermalPhysicsEngineeringbyLIJingjingAdvisedbyAssociateprofessorZhangBoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究

3、成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要论文针对航空发动机尾喷流红外抑制技术，在尾喷口下游引入横向射流，从而强化尾喷流的掺混和红外抑制效果。针对横流入射方式，频率变化以及其与主流频率的匹配关系进行了数值分析与实验研究。首先从尾喷流核心区长度、高温区域面积、3~5μm波段红外辐射强度等方面对其宏观效果进行了比较分析

4、，进一步利用大涡模拟算法，从横向射流穿透卷吸深度、拟序结构发展过程、雷诺剪切应力瞬态变化特征等角度分析了横向射流注入后对掺混特性的影响规律，初步揭示了横向射流在不同入射形式下对尾喷流流动掺混和红外辐射特征的影响机制，最后通过实验对不同条件下尾喷流速度场分布及横流入射后雷诺剪切应力的变化验证了本文数值模拟结果。研究结果表明：（1）与轴对称喷管相比，圆转矩喷管尾喷流速度衰减快，核心区长度、高温区面积以及在不同探测面的红外辐射强度均有减小；拟序结构发展和剪切层内雷诺剪切应力变化说明射流流场中涡旋发展耗散速度快、速度边界层脉动强、射流柱易失稳等因素是导致射流核心区长度减小

5、，掺混增强的内在原因。（2）横向射流注入后，尾喷流核心区长度与高温区域面积有明显减小，红外抑制效果也进一步提高。横向射流强化掺混的机制是诱导出CVP结构（反向旋转涡对），其使得流场涡旋发展耗散速度加快，剪切应力峰值与带宽也随之增加，有效地增强了流场的能量耗散效率和射流剪切层的脉动特征；而CVP结构的作用效果与其穿透深度成正相关，卷吸穿透越深，剪切层脉动就越剧烈，强化掺混效果越好，且CVP结构的涡旋强度和穿透深度随横流入射动量比的增大而增加。（3）横向射流稳态入射结果表明，横流入射孔形状变化对强化掺混和红外抑制效果的影响很大，矩形孔强化效果最好，方孔其次，圆孔最弱，

6、这是由于孔的几何形状的变化强化了涡旋的扩展范围和耗散速度。且横流孔排列方式的结果也说明，就轴对称喷管而言，横流垂直对称两股入射的掺混效果最好，其高温核心区长度、面积以及3~5μm波段红外辐射强度均最小，单股入射次之，而周向四股入射效果最差；圆转矩喷管模型的研究结果也表明，横向射流宽边入射时的强化掺混效果强于窄边入射，同样是垂直对称两股入射强于单股入射，周向四股入射的掺混效果较差。（4）横向射流脉动入射结果表明，在本文模拟范围St≤0.25，横流脉动入射的强化掺混效果好于稳态入射模型，且随横流脉动频率f的增加，掺混进一步增强；拟序结构说明横流脉动入射会强化射流柱的不

7、稳定振荡模式，在射流柱出口近场会存在一个速度剪切层剧烈脉动的区域，i横向射流入射对喷管尾喷流红外辐射及掺混特征的影响研究这导致横流产生的CVP结构向内卷吸穿透的范围更大更深；在多股横流脉动入射时,其相位差的优化匹配有利于进一步强化掺混。（5）与横流稳态入射和横流单一脉动入射模型相比，横流与尾喷流耦合脉动入射时的强化掺混和红外抑制效果会进一步提高，这是由于耦合脉动入射使得核心区内的涡旋更丰富，结构更不规则，涡旋更易缠绕搭接，耗散率更高。（6）使用热线风速仪在几何、流动相似条件下开展试验，得到了轴对称喷管、二元喷管、轴对称单股入射喷管的尾喷流速度场、剪切应力分布情况，

8、表明了上述