喷管射流流场的状况

摘 要 ：射流是流体运动的一种很重要的形式,在很多工程技术领域都用到了射流的理论和技术.转炉炼钢中,作为氧气炼钢关键设备的氧就是射流理论和技术在冶金中应用的一个重要领域,氧产生的氧射流的特点及氧射流对铁水熔池的冲击作用状况,直接影响着氧气转炉冶炼生产的产量、质量、原材料消耗、生产作业率和环境等各项技术经济指标.因此,对喷管射流情况的研究具有极其重要的意义.

关 键 词 ：Lal喷管 射流 研究状况

前言

射流是工程中非常常见的一种现象,因此很早以前人们就对射流问题进行了相关的研究.目前对于射流流场这一问题的研究方法大体上可以分为三种：其一,是通过实验手段对该问题进行研究.实验研究是人们早期认识这一问题的主要手段,随着实验条件的改进和实验技术的进步,实验研究在解决问题中发挥着重要的作用.但是在提供整个流场的全部信息方面或者人们需要知道流场的瞬态结构以及瞬时量的脉动信息时,现有的实验手段仍显得不足；其二,着重分析和探讨相互作用的物理模型,也就是对激波与边界层干扰现象进行理论分析；其三,是用计算流体力学（CFD）的方法直接解激波作用下的边界层方程,采用数值模拟的方法.随着计算机技术和数值方法的快速发展,计算流体力学（CFD）成为现代流体力学的重要组成部分,此方法成为同理论分析、实验研究并列的一种研究方法,但对计算机的硬件条件和计算方法都有较高的要求.

对于Lal喷管的超音速流场问题的研究就不可避免的涉及到产生激波与激波产生位置问题[1].因此加强对Lal喷管射流流场问题的研究,建立有效的估算和预测方法是非常必要的,该问题的研究受到世界各国的大力关注和重视.

1射流流场的实验研究

风洞是进行空气动力学试验的一项基本设备.迄今为止的大部分空气动力学试验都是在风洞中完成的.1939年Ferri[2]在超音速风洞的试验中,观察到机翼后缘的流场变化情况,得出了激波在流场中的存在情况.1946年Liepmann[3]、1947年,Ac ker et、Feldmann和Rott等的试验在超音速风洞中对激波和流场的情况进行了研究.1957年Wehrmann和Wille也观测到射流既产生环形涡,也产生螺旋形涡：并且对于一给定的射流产生环形涡的频率与射流出口速度成正比.

对于流场中各参数测量的实验研究多采用激光多普勒测速技术进行测量.Simpson最早应用LDV测量了湍流流场的各参数,其后Nakayama和Patrick分别测量了机翼后缘流场上的各参数情况.

南京航空航天大学的何中伟研究了沿圆管内发展的高超音速流的结构.在实验中管内产生的激波主要是斜激波形态.林春峰利用新一代的先进流场测量技术,粒子图像速度仪（PIV）,对轴对称的超声速冲击射流流场进行了详细测量.中国科学院化工冶金研究所的蔡志鹏对以射流中心线偏转所引起的流场各点速度的偏移进行了研究.中国航天机电集团陈延辉研究认为自由射流超声速喷管的出口流场品质是非常重要的,它的优劣直接影响发动机、燃烧室等试验件的研究质量,自由射流喷管出口流场的品质代表了试验台的技术水准.

1974年Carling,J.C.和Hunt,B.L将研究重点放在超声速冲击射流的方向上,并取得了一些成果.从20世纪60年代起世界各国相继研究、发展、建造了一些先进的高超声速实验设备.这期间主要是对飞行器的研究最为突出.

2射流流场的理论研究

对于射流的研究最早的学者,首推施里赫廷（Schlichting 1933）和Bickley（1939）,他们分别从理论上推导出平面层流射流的速度分布和流量.Andrade和Tsien（1937）则对平面层流射流做了量测,并证实了施里赫廷、Bickley的理论分析.雷卡切夫（1871）提出了测定旋转的螺旋桨升力的方法；马赫（E.Mach,1887）研究了抛射体以超声速运动时产生的波,得到了马赫角关系.普朗特（Prandtl）和迈尔（Th.Meyer）1908年提出了斜激波和膨胀波理论.中国科学院力学研究所,王世芬和李清泉提出了高超音速湍流分离激波结构不稳定性的理论.早期的稳定性分析研究的重点在于射流稳定性与轴对称模态和螺旋模态以及二者之间的关系.Batchelor与Gill（1962）在平行流的检测设下,利用线性小扰动理论研究了无粘、速度剖面为top-hat形状的层流轴对称射流在轴对称模态和螺旋模态作用下的线性稳定性问题.Michalke（1971）也采用平行流检测设,研究具有双曲正切速度剖面的射流的稳定性.

3射流流场的数值研究

随着计算机技术和数值方法的快速发展,计算流体力学成为现代流体力学的重要组成部分.1968年Magnus、Gallaher和Yoshihara用时间推进法求解了超临界有激波机翼绕流流场的Euler方程组,他们首次用时间推进法得到了一个收敛的定常解；1970年Murmann和Cole提出了混合差分格式,首次用松弛迭代法求解了定常跨声速小扰动速度势方程,他们的工作被认为开辟了跨声速气体动力学的新领域.随后Jameson提出了旋转差分格式,进一步将混合格式推广到全位势方程；1974年Ballhaus和Stger提出了隐式近似因式分解法（AF方法）,其收敛速度大大超过了线松弛迭代法的收敛速度；他们并用此方法求解了非定常跨声速流动；1975年Beam和Warming提出了求解双曲守恒型Euler方程组的隐式近似因式分解法,随后又推广求解N-S方程；另外,MCormack也分别于1969年、1980年与1984年提出了他自己的三种格式,并求解了可压缩N-S方程组；1979年Steger和Warming提出了矢量分裂格式,1981年Jameson和Turkel提出了隐式LU分解格式,从而使该算法较方法大大减少了计算量.

目前对于相当复杂几何条件的激波与射流流场的研究问题,采用有限差分法来求解可压缩N-S方程.南京航空航天大学的梁德旺等应用时均N-S方程和Baldwin-Lo max代数湍流模型计算了典型Lal喷管内正激波流场,通过计算和试验结果表明,此方法可准确地预测管内激波结构,激波位置、激波前马赫数和壁面压力分布等.南京航空航天大学的王国庆等采用可压缩性修正两方程湍流模型,数值模拟了三种不同波前马赫数的跨声速二维喷管内激波湍流边界层干扰流动,对流场中时均参数和脉动参数的计算结果与实验值进行了比较.结果表明可压缩性修正的两方程湍流模型准确地模拟了正激波/湍流边界层干扰流动的时均参数和脉动参数,无分离和有分离的激波湍流边界层干扰流动的基本规律.北京航空航天大学的韩振学等应用Badwin-Lomax湍流模型,对此现象进行了数值模拟,将数值模拟结果的激波强度、分离点位置和再附点位置等方面与实验结果进行了比较,吻合较好,说明了应用Badwin-Lomax湍流模型可以对三者进行很好的模拟.