文摘

数值研究已经进行可视化涡流结构出现在飞机错流交互。单一广场喷气发行垂直地变成一个错流模拟第一,紧随其后的是两个额外的场景,也就是说,斜方形喷气30°、60°的角度和圆和椭圆飞机90°角,分别。仿真认为喷气错流速度比2.5和雷诺数225,基于自由流流数量和喷气出口宽度的广场或短轴长度的椭圆射流。单一广场喷气,涡流结构模拟良好定性协议与其他研究人员的发现。进一步分析表明,射流穿透更深的错流场正常的飞机,和减少飞机倾斜角削弱了错流夹带在near-wake地区。非圆形和环形射流孔形状,流场附近的飞机出口主导了大规模动态流结构,发现椭圆射流孔几何三孔配置中最大的“起飞”效应进行了研究。这一发现也在很好的定性协议与现有的实验观察。

1。介绍

的问题注入流体通过管子/管几何主流错流领域提出了在许多工业和工程应用中,例如,涡轮叶片膜冷却,在内燃机燃油喷射,推力,S /垂直起落机噪声控制,在燃气轮机燃烧器燃气混合,并从烟囱污染物扩散。由于这些广泛的应用程序,在错流射流(JICF)配置了大量的实验和理论研究。自相干结构的观察在早期的1970年代,各种实验一直致力于JICF研究(见,例如,Margason [1)认为,基于这些研究,在JICF流运动的动态过程是密切相关的,在某种程度上,成为主流大旋涡的形成和演化的结构,这是源于射流剪切层,进化后的射流出口,和下游腐烂。Fric和Roshko2)鉴定出四种不同的旋转的结构提出了JICF系统第一次指出,反向旋转的涡对(CRVP)是占主导地位的旋涡的结构在这种复杂流系统。

尽管倾斜飞机和喷气各种孔出口形状已经广泛用于叶片气膜冷却的燃气轮机和航空发动机产业,有相对较少的研究关注底层流的理解物理。早些时候在倾斜的飞机,由李等实验工作。3]显示重要的流动结构的变化发生在一个倾斜喷射角35°。袁和Martinez-Botas4)进行了系统的实验研究三个飞机倾斜角度为30°、60°、90°和确定了最大的冷却效果,那速度比0.33和喷射角为30°。同样,喷气出口孔形状也扮演重要的角色在决定绝热冷却效果和冷却的界限,通常用作衡量如何保护叶片表面(5,6]。由于“起飞”效应的反向旋转的涡对近场(CRVP)的一个洞出口,“冷却”喷气流往往是“分离或分离”从叶片表面,这将导致冷却效果的显著减少。然而,一些流物理相关底层冷却机制目前仍不清楚。

影响的调查,本文侧重于不同的飞机倾斜角度和孔几何图形旋转的动态演化过程的结构与射流和横流式交互使用直接数值模拟(DNS)的方法。一个平行的内部DNS解决(7,8)将用于模拟旋转的流开发周围的广场,圆,椭圆飞机发行通常错流。

2。数值方法

在目前的数值,可压缩的时间解决了三维n - s方程和能量方程。通过使用引用值在自由流,这些方程的无量纲形式可以写成 在哪里代表剪切应力张量,雷诺数,特定的加热、公关的普朗特数M马赫数,动态粘度。所有其他变量遵循标准的符号见姚et al。9]。可压缩流的代码开发。在这个应用程序中,我们采用低马赫数(~ 0.2)降低压缩性的影响。

代码已经并行使用MPI库和验证广泛大量的配置包括层流边界层和通道流动,湍流边界层,动荡的通道流动,跨声速流碰撞几何与激波/边界层,并在错流喷射。最近的代码重构工作变得更加健壮和高效10]。

3所示。问题的定义

问题考虑模拟由基线配置一个广场的飞机发出垂直地主要错流场两个进一步的场景,即(1)平方飞机发出的倾角60°和30°水平墙壁和(2)圆和椭圆射流孔形状发出正常的90°角对传入的错流,分别。

计算框(基线)的错流领域回水区,墙上正常和外侧方向,分别和航空领域,其中D是喷射宽度。环形射流,射流孔出口面积保持一样的平方喷射情况下然后圆射流半径椭圆射流的主要和次要的轴长度(假设2的比率)可以导出相应的。广场的飞机,它位于4 d和5 d的错流入口平面方向流向和2.5和3.5 d的方向,分别为(见图1)。在先前的数值研究分et al。11的241分),计算网格回水区喷气域(11分),在墙上正常81点,61点的方向(11分的飞机域)。这两个领域的影响力和网格细化的研究被执行(12]。例如,模拟进行域的大小和(使用类似的决议和网格分布)和计算网格和(适用于基线域),分别。回水区和垂直速度的考试资料错流领域的代表地点表明很小的差异产生的域大小的增加和网格细化。因此决定保留基线域和网格如上所述流分析模拟。

初始化错流速度剖面使用一个相似的解决方案的层流边界层雷诺数为225。一个标准的圆管流Poiseuille-type速度剖面,也就是说,,用于圆形射流入口孔和非圆管和椭圆管二维几何图形,一个插值过程。特征边界条件用于出口平面和上表面和周期性条件的飞机。模拟一个喷气执行错流速度比率和雷诺数基于自由流数量的错流射流宽度(D)和马赫数基于自由流数量。

4所示。结果和讨论

类似于分et al。11这里介绍),结果在一个瞬时无量纲时间单位作为这项研究的主要目的是可视化涡流结构。讨论将集中在理解底层流物理JICF在不同的场景。

图2(一个)描述的轮廓由涡度()在中跨平面(),它揭示了存在的剪切层涡出现的初始部分上游侧的喷气机。上卷过程剪切层的上游的飞机被归因于Kelvin-Helmholtz (k - h)不稳定2,11,13]。图2 (b)揭示了进化的三维流线参与k - h涡的形成系统near-wake地区出现的上游(风)射流的初始部分。这种类型的上卷过程剪切层的上游的飞机被归因于所谓Kelvin-Helmholtz不稳定为先前的研究中讨论(例如,Fric和Roshko [2],史密斯和Mungal [14])。由于合并过程而涡辊移动下游,k - h漩涡的规模随着距离的增加而增加,类似于一个自由射流。整体呈现观察是在良好的协议与先前的实验和数值预测(12]。

简化注入角变化的影响在喷射流结构错流相互作用已被评估。图3介绍了高空的等值面涡度()为90°,60°和30°注入角度(左)。CRVP显然是目前在所有情况下注射角与剪切层(Kelvin-Helmholtz)漩涡出现在上游侧的初始部分的飞机。然而,对于30°注入的情况下,随着射流中心线更接近于墙上,Kelvin-Helmholtz辊的证据尚不明朗。随着喷射角的增加,射流穿透更高和传播领域是广泛的。的涡度轮廓所示的位置D从墙上图3(右)。与正常相比注入情况下同时吹比,的起始位置CRVP下游转移,其强度降低60°和30°注射。飞机以来30°注入,更接近于墙上,飞机之间的交互和边界层后更复杂地区。漩涡之后没有明显的瞬时情节图3 (c)(右)。

研究仍在继续与喷气出口孔形状变化的影响的复杂本质JICF画报。图4描述的3 d等位面由涡度及其在对称平面(二维轮廓,,),表现出明显的卷曲旋转的结构,除了不断发展的涡环的倾斜。旋转的结构中观察到的延迟汇总圆和椭圆型飞机,广场的飞机相比,可能是由于切除尖角,否则它将促进早期形成的涡结构。比较椭圆射流,圆射流下游早已经表明,涡环的形式。这可以归因于喷气孔形状变化的影响。注意,这些序结构的性质和动力学发挥重要作用在混合和传热过程中射流和横流。图5(左)提出了知识()涡度轮廓(,D,)飞机的三个仿真案例。不同的流动结构可以表示椭圆射流和圆形和方形飞机。这主要是由于不同的涡配对过程(见,例如,麦迪和姚明(15]),从射流孔下游发生。重要的是要记得,涡配对和肾脏,antikidney-shaped漩涡的形成依赖于椭圆射流的纵横比(16]。图5(右)显示了下甲板涡对(大反向旋转涡对)板的表面附近出现在所有情况下。这些漩涡的起源是横向溢出和喷气侧壁边界层的汇总。下甲板涡对的顶部,反对超级豪华涡对(小涡对)可以被识别。超级豪华的涡对前沿边界层是洞。低和upper-vortex为圆孔对以前报告的其他作者(例如,Margason [1),Tyagi和阿17])。这些漩涡旋转的感觉,促进飞机“起飞”和“夹带”的错流朝墙,分别。因此他们会严重降低防护膜层表面附近的有效性。基于图5(右),飞机“起飞”更重要的是在椭圆射流孔的情况下,豪华的涡对促进错流夹带的墙面,相比是相对较弱的几何情况确定在其他两个洞。研究结果在定性的协议与实验研究还好,Kurosaka [16),新et al。18),和DNS的分et al。11]。

5。结论

射流和错流之间的相互作用是研究通过直接数值模拟方法。模拟考虑两个场景,包括单一广场飞机三个发行角为30°,60°、90°和单圆和椭圆孔圆形射流出口几何图形。

单正常喷射,产生的涡结构是在良好的协议与实验和其他文献的数值模拟。计算成功地复制了这种类型的流中提供重要的涡模式,包括反向旋转的涡对(CRVP)、马蹄涡、剪切层涡和尾涡。

为单斜飞机30°、60°角,模拟结果揭示了重要的流动结构的变化,与当地再循环流观察到上游的喷气孔小注入30°角。涡度轮廓也表现出复杂的流动模式两个倾斜喷射情况下,显示强大的3 d效果。飞机倾斜减少错流的横向偏转。

循环正常喷射,这表明孔几何有相当大的影响近场涡结构的特征。这些反向旋转的漩涡的距离相对于彼此发现影响飞机的起飞和错流夹带的液体向墙面。结果表明,飞机升空以及流体夹带进近壁区机制取决于孔几何,与之前的实验观测相一致的文学。发现的最大飞机升空的椭圆孔几何学。

承认

的支持英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)通过研究格兰特(EP / C014979/01)。