受限边界层/混合层组合流动的稳定性和直接数值模拟研究

A compressible confluent mixing flow is to be investigated with hydrodynamic stability methods. The engine technology is crucial to the integral performance of a near-space flying vehicle. In the combustor of the engine, the mixing and combustion efficiencies of air and fuel have great effect on the working efficiency of the engine. With the restriction of overall design, the combustion chamber is usually so compact that the mixing layer composed of fuel and air lies very close to the boundary layer developing along the wall. Thus a unique boundary-mixing-layer confluent flow exists in the chamber. With the confinement of the wall and boundary layer, the mixing and combustion efficiency of fuel and air, and furthermore the performance of the engine, would be influenced. This program aims to make a research on the stability of the confluent flow to provide assistance of improving mixing efficiency. Linear stability theory (LST) is to be adopted to investigate the fundamental stability characteristics, for example, unstable modes. Parabolized Stability Equation (PSE) is to be used to analyze the linear and nonlinear evolvements of small disturbances in the flow. Direct Numerical Simulation (DNS) is to be carried out to make a comparison with the results of PSE. With the help of this program, we hope to obtain more knowledge about the hydrodynamic stability of the confined boundary-mixing-layer confluent flow. The stability mechanisms are expected to offer a guide to the mixing enhancement of the fuel and air in the combustion chamber.

本项目拟针对受限的可压缩混合流动开展稳定性研究。对于吸气式临近空间飞行器而言，发动机技术是影响飞行器整体性能的关键技术；而在发动机燃烧室内，燃料与空气的混合、燃烧效率直接决定了发动机的工作效能。受总体设计的限制，很多燃烧室空间狭小，燃料与空气形成的混合层位置很靠近壁面，因此在燃烧室内形成了独特的受限边界层/混合层组合流动。由于壁面和边界层的约束，燃料和空气的混合、燃烧效率会受到影响，进而影响到发动机及整个飞行器的性能。为帮助发展提高混合效率的措施，本项目拟对该类组合流动的稳定性开展研究。采用线性稳定性理论（LST）方法了解其失稳模态等基本的稳定性特性，采用抛物化稳定性方程（PSE）方法研究混合流动中小扰动的线性和非线性发展演化过程，并与直接数值模拟（DNS）方法的计算结果进行对比。通过这些工作，希望能对受限边界层/混合层组合流动稳定性特性取得较深入的认识，为增强混合提供机理性的指导。

可压缩混合层流动问题是流体力学研究中一个基础问题，在工程领域有着广泛的应用。当混合层流动的压缩性较强时，混合的效果受到很大的抑制。如何增强混合，是实际工程中难以规避的重要问题。比如在超燃冲压发动机的燃烧室中，空气与燃料进行超声速混合，其混合效率直接决定了发动机的操作性能。在压缩性强、尺寸小的环境中，混合效率很低，严重制约着发动机技术的发展。如何提高混合效率，是新型航天发动机发展中遇到的一项重要挑战。.混合增强方法的设计依赖于混合层本身的流动性质，主要有两种基本设计思路：促发混合层中大尺度结构和促进流动转捩变成湍流。这两种思路都是混合层流动不稳定之后的演化结果，与流动的稳定性直接相关。本文采用线性稳定性方法对可压缩受限混合层流动进行研究，了解这种流动的基本稳定性特征和主要影响因素的影响规律，为发展混合增强技术提供理论指导。.首先推导得到线性稳定性方程，介绍求解过程和方法。建立了受限混合层流动稳定性的基本流模型。.找出了流动中存在三类扰动模态，即K-H模态、边界层模态和超声速模态。通过对比分析发现各模态的形成是源于流动中剪切层与壁面的不同组合。得到各个模态的增长率、扰动形态分布和三维特性，研究了粘性对扰动模态的影响，对比发现时间稳定性和空间稳定性中的模态特点相同。确定了不同速度下主导流动失稳的扰动模态。.研究不同因素对受限混合层流动失稳特性的影响规律。考察壁面约束和边界层的存在对扰动增长率的影响，发现在不同速度下影响的方式不同，确定了基本的增长规律，并发现了对流马赫数与扰动增长率之间新的依赖关系。在此基础之上，进一步研究了对流马赫数影响流动失稳的不同规律，从对流马赫数的定义出发，解释了新规律产生的原因，并通过分析表明对流马赫数在表征混合层压缩性方面存在不足之处，探索了对流马赫数在混合层线性稳定性研究中的意义和作用。