塔式燃料喷射器中激波作用多个流向涡混合增强机理研究

That insufficient mixing in high speed flows impedes the ignition and efficient combustion is the main reason causing the thrust lost in scramjet engine. All kinds of fuel injectors are devised to generate streamwise vortex to enhance mixing. The latest pylon injector is a potential candidate due to its characteristic of mixing enhancement by merging streamwise vortex. Notwithstanding, the mixing mechanism of this kind injector is under the veil of questions such as the superiority and inferiority of merging/non-merging vortex; the mixing enhancement by the interaction of shock and streamwise vortex. By the leading means of the high accuracy simulation and the supplementary means of advanced experiment technology, the mechanism of streamwise vortex induced mixing enhancement is investigated. A new kind of pylon injector of scramjet is proposed on the basis of the mixing enhancement mechanism, which also offers the theoretical building blocks of devising the future fuel injector for supersonic flow.

超燃冲压发动机净推力不足的很大原因在于在高速环境下燃料与空气无法进行充分混合从而很难实现可靠点火及高效燃烧。由于引入轴向涡可以有效的加强混合，因此各种燃料喷射器被提出。最新研究结果显示塔式燃料喷射器有其轴向涡的融合加强混合的特点，然而其中许多混合机理仍然不明晰，例如涡融合混合与涡破碎混合的优劣；激波作用流向涡的混合增强机理等。本项目通过高精度数值算法为主以及先进的实验技术为辅的研究方式，探究新型塔式燃料喷射器产生的轴向涡流动混合机理，以及激波作用下的流向涡混合增强机理。在深入认知其流动机理的基础上，提出一种针对典型超燃环境下燃料高效混合的塔式燃料喷注方式。本项目聚焦的激波作用多个流向涡蕴含的混合增强机制可为设计先进塔式燃料喷射装置的提供理论基础，具有非常重要的现实意义。

超燃冲压发动机的高速来流条件给燃料与氧化物间充分混合带来严峻的挑战，合理设计促进混合增强的流动形式是提升发动机推力性能的核心技术。本项目通过高精度数值模拟从二维涡对及多涡相互作用出发并基于拉格朗日流场可视化视角提出先验性的最优混合位置识别方法，并着重对涡相互作用的混合增强物理机理进行研究。进一步依据细长体模型将二维非定常涡对相互作用主要结论类比推广至三维定常流向涡相互作用情形中，并研究以不同轴向喷射速度引起的剪切作用为代表的三维效应对流向涡相互作用诱导混合效果的影响。最后通过高速PIV实验验证流向涡相互作用促进混合增强及流场演化调控机制的有效性。对于真实三维流向涡相互作用诱导混合，以二维多涡相互作用临界平衡状态作为入口剖面条件的三维流向涡管相互作用下游流动结构同样呈现既不融合也不分离的稳定旋转状态。表明在满足细长体模型前提下（典型超声速燃烧来流速度Ma= 2.5），三维定常流向涡相互作用与二维非定常涡对相互作用之间具有时空类比性。根据入口剖面李雅普诺夫指数场分布并比较不同喷射位置下游混合程度发展规律表明入口剖面内拉格朗日相干结构脊线附近是实现混合增强的最优喷射区域。关于喷流与自由来流速度存在差异形成的三维剪切效应，以较高对流马赫数（喷流与自由来流速度差异较大）表征的可压缩喷射展向不稳定性更显著，涡管中心位置飘摆较剧烈，下游涡管融并结构发展及诱导流体混合效果均受到抑制。本项目研究对新型塔式喷注装置设计提供的借鉴性思路主要体现在涡旋结构控制与喷射策略两方面。其一是通过增加气动斜坡宽度构造分离模式的涡旋相互作用，其二是根据喷注装置出口剖面涡结构通过拉格朗日相关结构确定最优喷注位置，并尽量保证燃料喷射速度与自由来流速度相近。