一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置的制作方法

本发明属于组合动力发动机技术领域，具体涉及一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置。

背景技术：

近年来，组合动力发动机的发展日益加速，而内嵌火箭式组合发动机以其较好的经济型及宽工作范围的优势受到重视，但其中所存在的燃气与冲压空气的掺混常以亚-超剪切混合流的形式存在。亚-超剪切混合流是指流动方向相同的一股亚音速气流与一股超音速气流相遇，剪切混合发展所形成的可压缩湍流流动结构。但由于两股气流之间的大速度差和温度差严重影响了两股气流之间的能量动量传递，这会使发动机的工作性能严重下降，设计用于亚-超剪切混合的增强掺混装置，提高其混合效率、增强掺混具有较高的工程价值。

目前国内针对内嵌火箭式组合发动机中亚-超剪切形式并没有可行的混合增强方式，除此之外，国内外针对超-超剪切混合流混合强化技术的研究，主要采用平板剪切形式，开展了凹腔构型对流场结构影响的研究，发现采用凹腔构型后，混合层涡卷起略有提前，流场大尺度涡结构破碎较快。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置，使得空气和燃气充分接触，进而增加一次燃气在燃烧室中的停留时间，提高一次燃气的燃烧效率，从而提高发动机的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置，包括增强掺混装置本体，增强掺混装置本体用于放置于组合动力发动机燃烧室内前端，其前端朝向来流方向，增强掺混装置本体的上下壁面分别与燃烧室对应的上下壁面间形成两个独立的亚声速气体流道；增强掺混装置本体由前到后包括依次一体连接的实心头部段、等直腔体段和凹腔段，腔体段和凹腔段相连通，凹腔段的顶板和底板的内壁面上开设有各自朝向对应侧凹进的凹槽，上下两个凹槽的位置相对应；凹槽均垂直于来流方向，沿凹腔段的宽度方向开设；在腔体段内的后端设置有拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管后端出口贴于凹槽的前端；腔体段内用于中心气流由前到后通过，在凹槽处形成回流区，由凹腔段的后端流出，加速为超声速气流，与由亚声速气体流道流出的亚声速气流混合。

进一步地，在腔体段的前端、且位于其左侧壁或者右侧壁上贯通开设有一个于外部相连通的中心气流入口。

进一步地，该腔体段由上下两个侧板和左右两个侧板围成，且左右两个侧板的上下端超过上下两个侧板所在的位置，用于卡持于燃烧室内的左右侧壁上的卡槽内。

进一步地，该头部段为尖劈状，其尖劈头端朝向气流来向，用于将亚声速气体分为上下两股气流。

进一步地，该凹腔段的左右侧为敞开状或者封闭状。

本发明一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置具有如下优点：1.通过凹腔诱发的声波扰动以及从凹腔后缘脱离的大尺度相干结构增强混合，使空气和燃气充分接触，进而增加一次燃气在燃烧室中的停留时间，提高一次燃气的燃烧效率，从而提高发动机的整体性能。2.采用凹腔形式的被动混合增强技术，具有结构简单、易于加工的优势。

附图说明

图1是本发明一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置的立体结构示意图。

图2是本发明一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置的结构示意图。

图3不同构形的掺混装置的归一化厚度增长率对比图。

图4不同构形的掺混装置的动量混合厚度对比图。

其中：1.头部段；2.中心气流入口；3.凹腔段；3-1.凹槽；4.腔体段；4-1.上下两个侧板；4-2.左右两个侧板；5.拉瓦尔喷管；a.亚声速气体流道。

具体实施方式

本发明一种用于亚-超剪切流动的增强掺混装置，如图1和2所示，包括增强掺混装置本体，增强掺混装置本体用于放置于组合动力发动机燃烧室内前端，其前端朝向来流方向，增强掺混装置本体的上下壁面分别与燃烧室对应的上下壁面间形成两个独立的亚声速气体流道a；增强掺混装置本体由前到后包括依次一体连接的实心头部段1、等直腔体段4和凹腔段3，腔体段4和凹腔段3相连通，凹腔段3的顶板和底板的内壁面上开设有各自朝向对应侧凹进的凹槽3-1，上下两个凹槽3-1的位置相对应；两个凹槽3-1均垂直于来流方向，沿所述凹腔段3的宽度方向开设；在腔体段4内的后端设置有拉瓦尔喷管5，拉瓦尔喷管5后端出口贴于凹槽3-1的前端；腔体段4内用于中心气流由前到后通过，在凹槽3-1处形成回流区，由凹腔段3的后端流出，加速为超声速气流，与由亚声速气体流道a流出的亚声速气流混合。

在腔体段4的前端、且位于其左侧壁或者右侧壁上贯通开设有一个于外部相连通的中心气流入口2。中心气流入口2与外界管路连接，高压气体由外界从中心气流入口2进入腔体超声速流道，流至拉瓦尔喷管5。经超声速拉瓦尔喷管5加速后的超声速气流，流至凹腔段3后，会在凹腔段3内形成一个回流区，其基本充满整个凹腔段3，所以回流区较大，同时，凹槽3-1诱发的声波扰动以及从凹腔后缘脱离的大尺度相干结构可以增强混合；凹腔段3分离流的再附着点基本上位于后缘拐点附近，形成的激波强度较弱，总压损失较小。

本发明中的增强掺混装置本体的头部段1为尖劈状，其尖劈头端朝向气流来向，用于将亚声速气体分为上下两股气流。头部段1的上下壁面由后到前朝向彼此的对侧收缩。气流沿上下两个侧板壁面流动，为超声速中心射流制造空间。

为实现与发动机燃烧室的配合安装，腔体段4由上下两个侧板4-1和左右两个侧板4-2围成，且左右两个侧板4-2的上下端超过上下两个侧板4-1所在的位置，用于卡持于燃烧室内的左右侧壁上的卡槽内。安装方便，不需要额外的密封装置。凹腔段3的左右侧设置为敞开状或者封闭状，没有具体要求。其中左右两个侧板4-2的上下端超过上下两个侧板4-1所在的位置，指的是左右两个侧板4-2的上端超过上下两个侧板4-1的上端，下端超过上下两个侧板4-1的下端。

将本发明中的带有凹槽3-1结构的增强掺混装置与不带有凹槽结构的掺混装置分别进行实验及数值模拟研究，试验条件为超声速马赫数均为2.1，亚声速马赫数均为0.75左右，实验研究通过纹影方法对流场结构进行捕捉，提取结果中的亚-超剪切层厚度，计算归一化的剪切层厚度增长率；数值模拟通过提取结果中的动量混合厚度，对混合效果用动量混合厚度进行表征。超声速马赫数均为2.1，亚声速马赫数均为0.75左右，

其中：动量混合厚度深刻反映了流场的发展和演化，大涡结构的对并等过程，其主要基于速度场的分布均匀程度来评估混合程度的高低.动量厚度考虑了由于剪切层的存在而引起的动量流率的亏损。

参考文献中的试验结果作为基准。其中，文献中给出的是同向、且平行的两股不同速度的气流的剪切混合，归一化厚度增长率如图3中曲线所示。

本发明中，试验了带凹槽3-1结构和不带凹槽结构的掺混装置，两者结构的不同点仅在于有无凹槽3-1，不带凹槽结构的掺混装置是发明人最初设计的，实验中的表征结果如下：不带凹槽结构的结果如图中圆圈所示，经对比与文献结果较为吻合，表明本发明所采用的纹影实验系统可以用于亚-超剪切混合流混合强化效果的研究。

而带有凹槽3-1构形的实验结果如图中十字所示，与图中可知，本发明中的带有凹槽结构的增强掺混装置具有较好的混合强化效果，与不带有凹槽结构的掺混装置相比较，归一化剪切层增长率平均增加了31.12％。也就是说，本发明中的带有凹槽3-1结构的掺混装置与现有技术中的能够实现剪切混合的装置相比较，其归一化剪切层增长率平均增加了31.12％。

同时，还进行了数值模拟试验，从数值模拟结果中提取的动量混合厚度沿流向的变化，如图4所示，其中，横坐标表示流场里某一个点距离喷管出口的距离，从图中可以得到，随着流场的发展，带有凹腔结构动量混合厚度增长明显，该发明有着明显的混合强化效果。