低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252017Vol38No7SSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducahkxb@buaaeduca低雷诺数下横流一射流中剪切涡的试验研究张保雷1’2，上官燕琴1’2，王娴1。2～，陈刚h2，李跃明L21．西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室，西安7100492．西安交通大学航天航空学院陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室，西安710049摘要：为深入分析横流一射流(JICF)的流动特性及其中的复杂涡系结构，从

2、流动机理上研究燃机叶片气膜冷却，揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理．本文对横向流中单孔射流所形成的剪切涡开展了试验研究。主要研究了速度比、雷诺数及射流角对JICF所形成剪切涡的影响。结果表明：速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度，从而改变射流轨迹的曲率、高度及垂向渗透能力，最终改变剪切涡的特性；迎风涡与背风涡分别是由射流边界层涡与主流边界层涡形成的，当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时，背风涡是流场的主导结构，反之，迎风涡将成为流场的主要涡系结构。关键词：横流射流；速度比；雷诺数；射流角度；剪切涡中图分类号：0358文献标识码：A文章编号：1

3、000—6893(2017)07—12083109当流体从缝隙或者孔中以一定角度射出，且与外界环境中不同流向的流体相互作用时，便产生了横向流中的射流(JetInCross—Flow，JICF)问题，如图1所示。JICF在工程中具有重要应用价值，如航空发动机和地面燃机的透平叶片采用的气膜冷却，冷却气体从气膜孔射出，与高温主流相互作用，在气膜孔附近及下游会产生非常复杂的三维非定常流动结构[1。。气膜冷却效果难以准确预测的固有因素是叶片表面的复杂流场_。，其优化设计一直是工业界的难题之一。对高温燃气流与冷却流的掺混机理研究有赖于对JICF的深入研究。又如，锅炉燃烧

4、室中，控制燃烧必须要调节燃油和空气的掺混，最终也归结为JICF问题。而诸多国防尖端技术，如冲压发动机的性能分析，火箭推进器的设计以及垂直起降飞行器(V／STOL)悬停时的气动特性分析，这些问题的优化、解决都依赖于对射流和主流间相互作用及掺混规律的深入了解。JICF作为流体力学中一种基本、典型的流动，涉及空气动力学、环境学、燃烧学、热力学等。同时，流动过程中大尺度拟序结构的形成、发展、卷入、破裂等动力学演化过程对拟序结构理论、涡动力学和非线性动力学的研究具有重要理论意义。图2为Fric和Roshko[31提出的JICF典型涡结构概念图。Jet图1横流中的射流F

5、ig．1Jetincross—flow收稿Et期：2016·10·04；退修日期：2016—10—27；录用日期：2016．11．16；网络出版时间：2016．12．1416：29网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V201612141629004html基金项目：国家“973”计划(201308035702)；国家自然科学基金(11302165)*通讯作者E-mail：wangxian@mailxjtueducn戳用格式；张保雷，上官燕琴．王蛹．等低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究!JI航空学报．2017．38f7

6、)：120831ZHANGBL—SHANGGUANYQ，WANGX。etalExperimentalinvestigationonshearvortexof／etinCROSS—flowatlowReynoldsnumber[JIActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(7)：12083Ii120831．1航空学报例2横流射流I¨内1种涡系i占构～Fig．2Fourtypesofvorticalstructureassociatedwiththe1etincrossflowC～‘]目前关于JICF的研究十分广泛。

7、典型如：Gutmark等。40利用二维PIV(ParticleImageVe—locimetry)技术试验研究了吹风比为3时，横流一射流中单孔、串联双孔射流的动力学性质，研究的流动特性包括射流轨迹、渗透深度、射流前后缘的扩展及尺寸大小。Salewski等∞o利用大涡模拟(I。ES)及试验方法研究了横流一射流中的拟序结构和掺混特性，对比了圆形、椭圆形、方形射流孔的平均速度场及湍流统计量。Kelso等拍]通过流动可视化技术与热线风速仪研究了速度比为2～6横向流中圆孔射流的流动结构，包括马蹄涡、剪切涡和尾迹涡，并发现了在不同速度比下，尾迹涡在不同雷诺数下其不稳定性

8、机理也不相同。I．im等173试验研究了JICF的流