单向出口的欠膨胀超声速冲击射流换热特性研究
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摘要
超声速冲击射流具有很高的换热效率和复杂的流动结构。以往的研究主要集中在无限制的自由冲击射流,而受限制的超声速冲击射流流场结构和换热特性研究却较少。在实际中采取抽吸方法来进行流动控制时会出现受限制的超声速冲击射流情形。而其流场形态和壁面所受气动热分布尚不明确。因此,本文使用数值模拟的方法研究了超声速缝隙射流在封闭室内的流动特征及气动换热特性,获得了不同射流雷诺数、马赫数、冲击高度、冲击角度以及出口反压下封闭室内的流场特征,及封闭室壁面气动热负荷的分布特点。研究结果表明,封闭室内的流场存在有、无马赫杆两种流场形态特征,被冲击壁面附近的射流核心区域存在较强的激波/边界层干扰,在封闭室的封闭端出现了二次流动。这些复杂的流动结构造成了封闭室壁面复杂的气动热载分布特点。被冲击壁面上的最大热流和平均热流与雷诺数呈幂函数分布,与马赫数呈二次函数分布,发现其分布存在一定的自相似性。可以据此得到一个由斯坦顿数、雷诺数以及马赫数组合的无量纲数来表征冲击角度、冲击高度对各壁面气动热载的影响。被冲击壁面的斯坦顿数分布在射流边界冲击壁面以及激波/边界层干扰区域出现两个峰值。随着冲击角度增加,两个峰值渐渐靠近并最终只剩下一个峰值。冲击高度的增加使得壁面的气动热载整体在下降。另外,当出口反压渐渐增加到达一个临界压力时,冲击射流核心区下游流场开始出现壁面射流,上封闭板的斯坦顿数最值发生陡降,其平均受热也跟着大幅下降,但被冲击壁面的气动热载随着反压增大而增大。
引文