入射压力对连续超声速射流对撞的影响*

2018-02-21刁志成何立明张胜利谢祥勇

弹箭与制导学报 2018年5期

赵坤,刁志成,何立明,曾昊,张胜利,谢祥勇

(1 空军工程大学航空工程学院,西安 710038;2 95896部队,河北沧州 061700;3 93716部队,天津 300000;4 94855部队,浙江衢州 324000)

0 引言

两级脉冲爆震发动机(Two-stage pulses detonation engine,2-stage PDE)[1-3]是由俄罗斯的Levin等人[4]首次提出的一种基于环形连续超声速射流对撞诱导激波聚焦起爆爆震原理的新形式脉冲爆震发动机,主要由一级预燃装置和二级激波聚焦起爆装置构成,具有结构简单、尺寸小、频率高等优点。目前国外关于2-stage PDE的研究比较多,继俄罗斯于2001年成功起爆连续爆震之后,美国日本等国[5-6]分别开展了凹面腔内激波聚焦过程的实验与数值模拟并取得了一定的成果;国内关于2-stage PDE的研究[7-11]开始较晚,而且多集中于暂冲式激波聚焦起爆爆震的实验与数值模拟,少数单位[12-13]开展过连续超声速射流对撞诱导激波聚焦的实验,但是仍不够深入。由于凹面腔内聚焦的激波是由连续超声速射流对撞产生的,所以研究清楚射流对撞的机理很有必要。文中结合前人的相关研究[14-15],开展了不同入射压力条件下自由空间内连续超声速射流对撞的实验和数值模拟,通过分析对撞区域的动态压力和辐射噪声来揭示射流入射压力对连续超声速射流对撞的影响规律。

1 实验系统及数值算法介绍

1.1 实验系统

文中采用的实验系统主要包括供气系统、干燥系统、实验段以及压力测量系统,如图1所示。

图1 实验段及测试系统示意图

实验段主要由对称布置的两个稳压罐以及射流喷管组成,喷管的截面积尺寸为宽度5 mm、厚度30 mm,喷管出口间距为126 mm。在稳压罐内布置一个总压传感器用来测量超声速射流的入射压力,在两喷管中点布置PCB动态压力传感器用来测量射流对撞位置的动态压力,在距离喷管2 000 mm的垂直位置布置声压传感器用来测量射流对撞时产生的辐射噪声,其中动态压力采样频率为500 kHz,声压采样频率为21.3 kHz。

1.2 数值算法及验证

物理模型尺寸与实验段实物的结构尺寸相同,鉴于其对称性,文中使用二维轴对称模型。为节约计算资源并提高计算精度,初始网格尺寸为0.1 mm,根据密度梯度自适应加密网格,射流喷口为压力入口边界,压力与实验取值相同,温度为Tin=300 K,计算区域为压力Pa=0.101 MPa、温度Ta=300 K、填充空气的环境条件。采用FLUENT软件进行数值模拟,求解器为分离式求解器,湍流模型为Realizablek-ε模型,算法为PISO算法,方程离散格式为二阶迎风格式。

为验证文中算法的有效性,采用文献[16]中所诉工况条件进行数值模拟,并与实验结果进行对比,如图2所示。图2(a)为文献中实验得到的动态压力时域局部放大图,图2(b)为文中数值算法计算出来的结果。通过对比可以发现,实验所得的动态压力幅值、周期均与数值模拟所得结果吻合的较好,故可以说明文中采用的数值算法具有很好的可信度。

图2 计算结果与实验结果的对比

2 实验结果分析

分别在0.30 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa等6个不同的入射压力下进行实验,依次测量对撞中心的动态压力、对撞区域的辐射噪声并结合FFT变换,分析了超声速射流入射压力对射流对撞的影响规律。

2.1 对动态压力的影响

图3为入射压力分别为0.30 MPa、0.45 MPa、0.55 MPa三个典型入射压力条件下对撞中心压力脉动时域图,可以看出,随着入射压力的不断提高,动态压力传感器所测量到的压力脉动幅值逐渐增大,故可以得出,入射压力越高,射流对撞强度越大的结论。同时发现动态压力幅值整体上具有较大的波动,这是因为动态压力传感器位置固定,而射流对撞位置会左右摆动,当对撞中心与传感器重合时,传感器测得的动态压力幅值较大。

图3 不同入射压力下动态压力时域图

对上述6种入射压力条件下的动态压力数据进行FFT变换,得到如图4所示的频率变化曲线。从图中可以看出,各入射压力条件下都出现了基频1 100 Hz左右和基频3 900 Hz左右的频率,根据文献[14]中的分析可以知道,1 100 Hz左右是射流对撞的频率,而3 900 Hz左右是射流对撞中心的动态压力传感器固定支柱的固有振荡频率。随着射流入射压力的升高,射流对撞引起的压力脉动频率逐渐增大,由P=0.30 MPa时的1 036 Hz上升至P=0.55 MPa时的1 169 Hz。

图4 不同入射压力下动态压力频率

2.2 对辐射噪声的影响

图5 不同入射压力下辐射噪声频率

图5是超声速射流入射压力在0.3～0.55 MPa条件下,射流对撞产生的辐射噪声频率变化曲线。根据文献[14]中的论述,超声速射流对撞过程中通常包括三种噪声:湍流结构所辐射出的湍流掺混噪声,主要存在于低频段,频带较宽,对应的声压较小;非定常小扰动在喷口与激波胞格间正反馈产生的啸叫,频带相对较窄,对应的声压较高,呈现出突出的峰值;胞格结构与湍流不稳定波动的相互作用产生的宽频带激波相关噪声,其频率较高,对应的声压较小。在文中,射流对撞后引起的压力脉动作为初始的外界扰动在喷口与胞格结构相互作用,产生了啸叫,图5中入射压力条件下的频率即为啸叫频率。

通过与图5中对应工况的射流对撞频率对比,发现啸叫频率普遍要略小一些,根据文献[14]中所述的啸叫声反馈放大机制可知,由射流对撞引起的压力脉动作为初始扰动经历了较长的声反馈回路,导致啸叫频率低于声源的压力脉动频率。射流对撞引起的啸叫频率基本保持在1 100 Hz左右,且随射流入射压力增大而增大。

3 数值模拟结果分析

选择与实验相同的射流入射压力条件下进行数值模拟,结合FFT变换,分析射流对撞中心动态压力及辐射噪声的变化,进一步研究入射压力对射流对撞的影响。

3.1 对动态压力的影响

图6为数值模拟得到的三个典型入射压力下两喷口射流对撞中点的动态压力时域图。可以看出,数值模拟结果与实验结果较为吻合,即随着射流入射压力增大,射流对撞中心动态压力越大,射流对撞强度越大。同时还可以看出,图6中的压力曲线整体上没有出现实验结果中类似的波动,说明数值模拟中两侧射流强度一致,对撞区域相对稳定。

对6种射流入射压力条件下的动态压力数据进行FFT变换,发现各工况下都只存在一个频率,即射流对撞导致的压力脉动频率,其大小随射流入射压力的增大而增大,如图7所示。从中可以看出,随着射流入射压力的不断增大,射流对撞中心的压力脉动频率由P=0.30 MPa时的890 Hz单调上升至P=0.55 MPa时的1 780 Hz,趋势与实验结果变化趋势一致。但是在频率的具体数值上,数值模拟结果与实验结果差别较大,这主要是因为限于计算资源以及网格尺寸,无法捕捉到小尺寸涡的变化,而且数值模拟没有考虑到实验中的外界干扰、试验器尺寸误差。在6种入射压力下都没有发现3 900 Hz左右的频率峰值,这进一步说明了实验中出现的这种频率是传感器固定支柱的固有振荡频率。

3.2 对辐射噪声的影响

图8是数值模拟得到的6种入射压力下辐射噪声频率变化曲线。

从中可以看出,随着入射压力的逐渐提高,射流对撞所产生的啸叫频率的变化规律与实验中所测得的规律吻合:当入射压力处于最低的0.30 MPa时,啸叫的频率为851 Hz,此后随着入射压力的不断提高,啸叫频率值单调上升,直至入射压力升高至0.55 MPa时,啸叫频率达到最大值1 701 Hz。本组数据与实验结果具有一定的差别,同样是限于计算资源,网格仍然相对较大,无法捕捉到更加细微的流场结构所致。