低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

张保雷,上官燕琴,王娴,*,陈刚,李跃明

1.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室,西安 710049

2.西安交通大学 航天航空学院 陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室,西安 710049

低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

张保雷1,2,上官燕琴1,2,王娴1,2,*,陈刚1,2,李跃明1,2

1.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室,西安 710049

2.西安交通大学 航天航空学院 陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室,西安 710049

为深入分析横流-射流(JICF)的流动特性及其中的复杂涡系结构,从流动机理上研究燃机叶片气膜冷却,揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理,本文对横向流中单孔射流所形成的剪切涡开展了试验研究。主要研究了速度比、雷诺数及射流角对JICF所形成剪切涡的影响。结果表明:速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度,从而改变射流轨迹的曲率、高度及垂向渗透能力,最终改变剪切涡的特性;迎风涡与背风涡分别是由射流边界层涡与主流边界层涡形成的,当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时,背风涡是流场的主导结构,反之,迎风涡将成为流场的主要涡系结构。

横流-射流;速度比;雷诺数;射流角度;剪切涡

当流体从缝隙或者孔中以一定角度射出,且与外界环境中不同流向的流体相互作用时,便产生了横向流中的射流(Jet In Cross-Flow,JICF)问题,如图1所示。JICF在工程中具有重要应用价值,如航空发动机和地面燃机的透平叶片采用的气膜冷却,冷却气体从气膜孔射出,与高温主流相互作用,在气膜孔附近及下游会产生非常复杂的三维非定常流动结构[1]。气膜冷却效果难以准确预测的固有因素是叶片表面的复杂流场[2],其优化设计一直是工业界的难题之一。对高温燃气流与冷却流的掺混机理研究有赖于对JICF的深入研究。又如,锅炉燃烧室中,控制燃烧必须要调节燃油和空气的掺混,最终也归结为JICF问题。而诸多国防尖端技术,如冲压发动机的性能分析,火箭推进器的设计以及垂直起降飞行器(V/STOL)悬停时的气动特性分析,这些问题的优化、解决都依赖于对射流和主流间相互作用及掺混规律的深入了解。JICF作为流体力学中一种基本、典型的流动,涉及空气动力学、环境学、燃烧学、热力学等。同时,流动过程中大尺度拟序结构的形成、发展、卷入、破裂等动力学演化过程对拟序结构理论、涡动力学和非线性动力学的研究具有重要理论意义。图2为Fric和Roshko[3]提出的JICF典型涡结构概念图。

目前关于JICF的研究十分广泛。典型如:Gutmark等[4]利用二维PIV(Particle Image Velocimetry)技术试验研究了吹风比为3时,横流-射流中单孔、串联双孔射流的动力学性质,研究的流动特性包括射流轨迹、渗透深度、射流前后缘的扩展及尺寸大小。Salewski等[5]利用大涡模拟(LES)及试验方法研究了横流-射流中的拟序结构和掺混特性,对比了圆形、椭圆形、方形射流孔的平均速度场及湍流统计量。Kelso等[6]通过流动可视化技术与热线风速仪研究了速度比为2～6横向流中圆孔射流的流动结构,包括马蹄涡、剪切涡和尾迹涡,并发现了在不同速度比下,尾迹涡在不同雷诺数下其不稳定性机理也不相同。Lim等[7]试验研究了JICF的流动结构,分析了涡环的变形及折叠,指出涡环的变形没有完全显示出实际的流动。Mahesh[8]总结了有关JICF的相关研究,并明确指出在低吹风比和低雷诺数下JICF的掺混规律与高吹风比、高雷诺数下大不相同。Sau和Mahesh[9]采用直接数值模拟(DNS)的方法对JICF中涡环的动力学特性及输运、掺混特性进行了研究。关晖和吴锤结[10]利用LES对JICF进行了数值研究,发现JICF中占据主导地位的是涡环的拉伸、扭曲。郭婷婷等[11]研究了射流角度对射流轨迹的弯曲程度及湍动能的影响,但其并未对涡系结构进行研究。本课题组基于GPU并行技术,利用混合热格子法对平板单孔射流、气膜冷却冷热流掺混机理进行了大规模直接数值模拟与大涡模拟研究[12-16],使用近2亿计算网格,捕捉到了精细的涡系结构,分析了涡系间的相互作用及其对气膜冷却效率的影响。虽然JICF的相关研究十分广泛[17-21],但对于JICF中典型涡系结构(剪切涡、马蹄涡、尾迹涡及反对称涡),大多数研究者只关注主导横向主流与射流掺混过程中的反对称涡(CVP)[22-25],对剪切涡的研究较少。然而,剪切涡也在掺混过程中承担了重要角色,其特性对射流的渗透能力有重要影响,同时,也会影响反对称涡的生成。与此同时,目前对于低雷诺数下的JICF相关研究也较少。Gopalan等[26]做了速度比为0.5～2.5的研究,发现以速度比2为界限,产生了不同的流场特征,其雷诺数高达1.9×104。Cambonie等[27]做了速度比为0.5～3.0下的试验研究,雷诺数范围为220～660,但是该文献主要研究了流场中的反向旋转涡对,并没有对剪切涡的形成、发展进行相应的研究分析。

鉴于低雷诺数下JICF蕴含着丰富的物理信息,且目前此方面已有较多数值模拟结果,相关试验研究很少。因此,本文设计、搭建试验平台,进行了低雷诺数下的平板单孔JICF试验,并重点分析了不同流动参数对剪切涡特性的影响。试验清晰地捕捉到了涡系结构的发展过程,结果表明速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度,速度比对流动结构影响很大,雷诺数与射流角对剪切涡的发展特性及射流轨迹的高度、渗透能力有影响,最终改变剪切涡的特性。这些数据对于数值模拟结果的验证,以及揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理有重要支撑作用。

1 试验装置

本试验在低速风洞中进行,该风洞分为稳定段、收缩段、试验段和出口段。在稳定段前部布置有蜂窝罩和尼龙滤网,以消除环境中可能的较大湍涡。主流经过收缩段后进入风洞试验段,如图3所示。整套试验装置如图4所示。图5为试验段示意图,其截面尺寸(Lz×Ly)为460 mm×450 mm,长度(Lx)为1 000 mm,射流孔孔径D为7 mm。

在风洞的尾部安装有离心风机,用以抽取空气,该离心风机与频率控制台相连,从而可以方便地调节主流速度,主流的最大速度为30 m/s。射流则由空气压缩机提供,空气经由流量调节阀稳定流量后进入烟雾发生器,掺有少量烟雾的气体经过流量计,最终由集气腔上方的射流孔进入试验段。为获取更为清晰的流动图像,本试验采用连续性片光源打亮呈现为一定白色的射流。片光源最大发射功率为5 W,波长为532 nm,片光源全角为60°。本试验拍摄使用的高速摄像机为PHANTOM CAMERA V1210,最高拍摄速度可达7.1×105frame/s。试验中流体速度较低,对流动图像进行记录时,相邻图像间的时间间隔为0.28 ms。利用相应的Pcc软件来实现对相机的控制、触发、参数调整和数据处理。

试验中,速度比的计算公式为

式中:Uj与U∞分别为射流速度与主流在实验腔中的速度。射流速度可由流量计的读数计算得到,主流速度直接由热线风速仪测得。基于射流孔孔径D、主流速度的雷诺数公式为

式中:ρ为主流空气密度;μ为空气的动力黏度;v为空气的运动黏度。以射流孔圆心为坐标原点,相应的坐标系如图5所示,所获取的试验结果为展向中性面,即:z=0时,x Oy截面内的流动数据。本试验工况分别为:① 在主流速度(U∞=0.43 m/s,Re∞=203)不变的前提下,通过调节射流流量改变射流速度,实现速度比R分别为0.40、0.70、0.88、1.05、1.23、1.39;② 在保证速度比不变的情况下,利用频率控制台将离心风机转速调整为2、3、4、5 Hz,对应的主流速度分别为0.25、0.43、0.65、0.86 m/s,从而使得雷诺数Re∞分别为118、203、307、406;③ 射流角度θ分别为60°、90°,通过更换试验件实现。

2 结果分析

2.1 典型工况下剪切涡的形成与发展机制

图6为Re∞=203,θ=90°,R=0.88时剪切涡的形成发展图像。从图6可以看出,射流从射流孔射出后,射流前缘部分直接面对主流冲击,前缘处的涡结构会受到主流边界层涡的较大影响,而射流后缘受到主流的冲击较小。在主流的压迫剪切作用下,射流产生了沿主流方向的加速度及速度,射流轨迹发生了弯曲,由于射流与主流间强烈的剪切作用,产生了开尔文-赫姆霍兹不稳定性[3,6,28],最终形成了剪切涡。与此同时,在射流孔后缘附近形成了一个低压区,在负压强梯度的驱使下,该区域出现了逆流现象。Fric与Roshko[3]认为这个低压区的出现有利于射流后缘附近平板边界层的分离,最终在一定条件下促使尾迹涡的形成。射流前缘的剪切涡为迎风涡(Leading-Edge Vortex,LEV),其旋转方向为逆时针,根据展向涡量的定义可知,涡量为正;射流后缘的剪切涡为背风涡(Trailing-Edge Vortex,TEV),旋转方向为顺时针,涡量为负。往下游输运过程中,迎风涡被拉伸、卷吸、分离,背风涡则逐渐汇聚,负涡量占据主导,迎风涡和背风涡在向下游的运动中逐渐融合、卷入,逆时针旋转的迎风涡逐渐变弱,顺时针旋转的背风涡逐渐成为流场的主导结构,正涡量逐渐减小。在射流向下游输运的过程中,在射流孔下游约为5.5倍孔径处,由于低压区的出现,平板边界层发生分离,剪切涡被拉伸并发生较大变形。由于此工况的速度比(R=0.88)较小,低压区内的逆压力梯度较小,不利于尾迹涡的生成,因此在图6中无法观察到清晰的尾迹涡。Kelso等[6]的试验研究表明,当速度比大于4时,可捕捉到清晰稳定的尾迹涡。流动结构继续向下游发展,由于主流与射流的剧烈掺混造成了大量的动能损失,剪切涡逐渐分解、破裂为大量小尺度的涡系结构。

射流主体前后缘压强差的存在加剧了主流对射流的压迫、剪切作用,最终使得射流轨迹发生弯曲并形成剪切涡。剪切涡产生于射流与主流的初始掺混阶段,在射流的两侧面上其强度最大,剪切涡的出现削弱了射流主体的动能,进一步增大了射流的弯曲程度。简言之,x Oy平面内,射流孔附近的流场主要特征为射流的弯曲、变形,周期性卷起的剪切涡,以及剪切涡的拉伸、变形、重组。

2.2 速度比对剪切涡的影响

图7为Re∞=203,θ=90°时,不同速度比情况下的剪切涡系图像。从图7的涡系结构可以看出,不同速度比下,射流轨迹高度不同,射流在主流中的垂向渗透能力不同。本文研究的6种速度比下(图7(a)～图7(f)),射流的高度分别约为3D、5.5D、6D、6.3D、7.2D、8D。随着速度比的增加,射流动量增加,射流对主流的垂向渗透能力增强,最终导致射流轨迹高度增大,这与文献[29-30]得到的结论一致。此外,射流轨迹发生弯曲的位置也逐渐远离射流孔,在6种速度比下,射流主体发生弯曲的位置高度分别约为0.8D、1D、1.4D、1.8D、2.5D、3D。随着速度比的增大,射流轨迹的曲率减小,且在较小速度比时,射流首先发生弯曲,继而产生剪切涡(图7(a)～图7(c));而在较大速度比时,剪切涡在射流发生弯曲之前产生(图7(d)～图7(f))。与此同时,速度比对流动涡系结构影响很大。由于主流的横向剪切作用,射流前缘形成了逆时针旋转的迎风涡。低速度比时(图7(a)、图7(b)),射流被主流强烈挤压,射流与主流相互作用的结果是迎风涡的涡强减弱并消失,背风涡成为主要的涡系结构。随着速度比的增大(图7(c)～图7(f)),当射流离开射流孔后,射流发生变形与弯曲,同时交替出现逆时针旋转的迎风涡与顺时针旋转的背风涡。值得注意的是,当速度比较大时(图7(e)、图7(f)),随着主流与射流的掺混加剧,逆时针旋转的迎风涡成为了流场的主导结构。该试验观察到的现象与课题组之前的数值研究结果[14]一致。在小速度比时,由于射流的动能较小,顺时针旋转的主流剪切层涡会抑制逆时针旋转的射流剪切层涡的形成及发展,并在剪切作用的驱使下形成了顺时针旋转的背风涡,最终在流场中占据主导地位。速度比增大,射流的动能增大,逆时针旋转的射流剪切层涡的强度增大,从而抵抗了主流剪切层涡的抑制作用,并形成了逆时针旋转的迎风涡,当速度比增大到一定程度时,迎风涡会成为主要的流动结构。在上述研究的6种速度比工况下,均是在射流前缘首先发生凹陷,继而逐渐引起射流后缘的失稳。除R=0.40(图7(a))时,其本身射流高度太小外,失稳位置随速度比的增大也逐渐靠近射流孔,图7(b)～图7(f)中,失稳凹陷处距射流孔高度分别约为2.5D、2D、1.5D、1D、0.5D。在速度比很小时(图7(a)),迎风涡与背风涡之间的干扰小,剪切涡的运动形态很稳定。随着速度比的增大,涡结构之间干扰增强,剪切涡的形态逐渐紊乱。从图7展示的结果可以看出,当速度比大于1(图7(d)～图7(f))时,剪切涡的连续性出现较大减弱,与小速度比(图7(a)～图7(c))的工况相比,在速度比大于1的工况下,剪切涡的形态更加紊乱、不规则,而且,剪切涡在距离射流孔更近的流向位置就开始发生变形与耗散。这是因为,射流初始速度大,使得剪切涡还没来得及向下游输运,上游相邻的一个甚至多个剪切涡已经赶上,多个剪切涡发生融合、卷入,使得剪切涡尺寸更大,涡系的形态更加紊乱,并在向下游的运动中不断脱落形成了垂直并延伸至平板表面的尾迹涡[3]。

最后,从图7还可以发现,迎风涡和背风涡的产生虽有时间差,但总是相伴而行,在向下游发展过程中逐渐融合,且下游剪切涡的涡核部分与上游相邻的背风涡相连,在自身沿主流方向的速度分量和主流的推动下,向下游流动。射流后下方产生的逆流区,流动复杂,靠近射流的逆流区边界部分总体呈现出与主流反向的运动,同时加剧主流与射流之间的掺混。在逆流区之前,剪切涡的运动较为稳定,强度也较大,而当流过此区域时,其形态快速改变,涡运动变的紊乱,这说明逆流区在加剧主流与射流之间掺混程度的同时也干扰了剪切涡的发展。

2.3 雷诺数对剪切涡的影响

图8为R=0.62,θ=90°时,不同雷诺数下的剪切涡系图。图8的结果显示,随着雷诺数的增大,主流对射流的压迫作用增强,射流轨迹高度逐渐降低,射流的渗透能力下降,射流轨迹发生弯曲的位置离射流孔越近,曲率也越大。与此同时,随着雷诺数的增大,主流对射流的输运作用增强,剪切涡结构越快发生变形与耗散(图8(d))。而且,随着雷诺数的增大,剪切涡的生成位置也逐渐由射流前缘向射流后缘发展,即初始剪切涡由逆时针旋转的迎风涡逐渐变为顺时针旋转的背风涡,且涡强度逐渐增大。这是因为顺时针旋转的主流边界层涡的强度随着雷诺数的增大而增大,抑制了逆时针旋转的射流边界层涡的形成与发展,最终使得顺时针旋转的背风涡成为流场的主导涡系结构。在沿主流方向流动过程中,逆时针旋转的迎风涡与顺时针旋转的背风涡交替出现并连接形成链状结构。继续往下游流动,涡强更大的背风涡将上游涡强较弱的迎风涡吞噬并发生变形、拉伸,最后耗散。在本文研究的雷诺数范围内可以看出,随雷诺数的增大,剪切涡的变形越明显。

2.4 射流角对剪切涡的影响

图9为Re∞=203,R=1.10时,不同射流角度下的剪切涡系图像。从图9中可以发现,随着射流角度的增大,射流轨迹发生弯曲的位置离射流孔中心的流向距离减小,弯曲位置的曲率增大。这是因为随着角度的增大,射流速度沿主流方向的速度分量减小,主流对射流的压迫、加速作用越明显。与此同时,射流对主流的垂向渗透能力增强。当射流角为60°时(图9(a)),射流一经流出便在距离射流孔约为0.8D的位置处形成迎风涡。而当射流角增大至90°时

(图9(b)),在距离平板的垂向高度约为1.5D的位置处才发生凹陷继而形成剪切涡。这个现象说明了在大倾斜角的工况下,射流的垂向渗透能力更强。

3 结 论

为深入揭示气膜冷却中高温燃气流与冷却流的掺混机理,本文设计、搭建试验台,研究了JICF中剪切涡的形成、发展机制,结果发现:

1)射流孔附近区域流场的主要特征是射流弯曲、变形及剪切涡周期性卷起、拉伸、变形、重组。

2)速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度及射流在主流中的垂向渗透能力,从而改变射流轨迹的曲率与高度,最终改变剪切涡的特性。

3)迎风涡与背风涡分别是由逆时针旋转的射流边界层涡与顺时针旋转的主流边界层涡形成的。当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时,背风涡是流场的主导结构,反之,迎风涡将成为流场的主要涡系结构。

本文对JICF中的剪切涡进行了试验研究,得到了JICF中剪切涡的定性流动信息,今后将进行定量等更为深入的研究。此外,展向yOz平面内的反向旋转涡对(CVP),是JICF中的另一主要涡系结构,其演化机理与发展趋势对JICF的诸多应用,如气膜冷却效率、冲击射流冷却效率等有重要影响。今后将对CVP的演化过程与机理进行深入的试验与数值模拟研究,为揭示JICF的复杂流动机理提供更多基础。

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Experimental investigation on shear vortex of jet in cross-flow at low Reynolds number

ZHANG Baolei1,2,SHANGGUAN Yanqin1,2,WANG Xian1,2,*,CHEN Gang1,2,Ll Yueming1,2

1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China
2.Shaanxi Key Laboratory of Environment and Control for Flight Vehicle,School of Aerospace,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China

The flow characteristic and vortical structures associated with the jet in cross-flow(JlCF)is studied to reveal the mixing mechanism between coolant jet and hot cross-flow in film cooling of turbine blades.Experimental investigations on shear vortex of single-jet in cross-flow are carried out in this paper.The effects of velocity ratio,Reynolds number and inclined angle on the characteristics of shear vortex are studied mainly.Results show that the velocity ratio,Reynolds number and inclined angle have a great influence on the mixing between jet and cross-flow,and therefore affect the jet trajectory and jet penetration into cross-flow which results in various characteristics of shear vortex.We also find that the leading-edge shear vortex and trailing-edge shear vortex are formed by boundary layer vortex of jet flow and cross-flow,respectively.The trailing-edge shear vortex becomes the main flow structure when the cross-flow boundary layer vortex is stronger than jet boundary layer vortex.On the contrary,the leading-edge vortex becomes dominant.

jet in cross-flow;velocity ratio;Reynolds number;inclined angle;shear vortex

2016-10-04;Revised:2016-10-27;Accepted:2016-11-16;Published online:2016-12-14 16:29

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

s:National Basic Research Program of China(2013CB035702);National Natural Science Foundation of China(11302165)

O358

A

1000-6893(2017)07-120831-09

10.7527/S1000-6893.2016.0305

2016-10-04;退修日期:2016-10-27;录用日期:2016-11-16;网络出版时间:2016-12-14 16:29

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161214.1629.004.html

国家“973”计划 (2013CB035702);国家自然科学基金 (11302165)

*通讯作者.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn

张保雷,上官燕琴,王娴,等.低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究[J].航空学报,2017,38(7):120831.ZHANG B L,SHANGGUANY Q,WANG X,et al.Experimental investigation on shear vortex ofjet in cross-flow at low Reynolds number[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):120831.

(责任编辑:王娇)

*Corresponding author.E-mail:wangxian@mail.xjtu.edu.cn