带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究

带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究 带二次流的多喷管超声速引射器性能实验 研究 第19卷第9期 2007年9月 强激光与粒子束 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS Vo1.19,NO.9 Sep.,2007 文章编号:i001—4322(2007)09—1439—05 带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究 吴继平,陈健,王振国 (国防科学技术大学航天与材料学院,长沙410073) 摘要:为研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的性能,采用模拟器产生给定总温和总压的模拟 二次流,在多喷管超声速引射器实验台上进行了一系列实验.重点考察了多喷管引射器的性能以及一次流总 压和喷管安装构型对其性能的影响.实验结果表明:多喷管超声速引射器可保证二次流在工况下正常工 作I二次流的加人大大减小了一次流的总压损失;较低的一次流总压具有更好的压力匹配性能,但引射增压能 力也有所降低;合理的喷管安装构型可同时提高引射增压能力和压力匹配能力.提出了将二次流作为”助推 器”,以帮助多喷管引射器在较低工况下实现启动的,在不增加系统复杂度的前提下提高了引射器的压力 匹配能力. 关键词:气动光学;超声速引射器; 中图分类号:TN248.5;0354.3 二次流;超声速扩压器;喷管 文献标识码:A 超声速引射器利用超声速射流的引射增压作用将低压气流排出到压力较高的环境中,在发动机高空模拟 试车台,亚燃冲压和超燃冲压发动机的地面试验系统,以及大功率化学激光系统中获得了广泛应用.高能化学 激光器运行腔压在0.6,3.0kPa[引,远低于环境压强.为了实现连续稳定出光,必须将工质废气连续地排出 到周围环境中.在化学激光器实验系统中,采用大型真空罐可以实现工质废气的排放,但在激光器系统小型化 的总体要求下,采用以超声速引射器为主体的引射型压力恢复系统更加合理J. 相对于目前广泛使用的高增压比中心引射[4-s]和环缝引射[6-8],多喷管引射[9-n]可以增加一次流与二次流 之间的接触面积,减小气流的横向掺混距离,从而降低引射系统的尺寸.与两级增压空气引射系统[11]相比,利 用燃气作为一次流工质的单级多喷管超声速引射系统具有更小的系统尺寸,系统复杂度也更低.然而,与多喷 管超声速引射器相关的公开文献较少,其引射性能及相关因素对其性能的影响尚需深入研究.本文采用模拟 器产生模拟二次流所需要的燃气,对多喷管超声速引射器在带二次流情况下的性能进行了实验研究. 1实验系统,测量仪器及实验方案 1.1实验系统 如图1所示,多喷管超声速引射器实验系统 由模拟器和引射器构成,其中引射器又由超声速 扩压器,引射喷管,混合室,喉部等直段和亚声速 扩压器等组成.整个引射系统管道截面为矩形, 展向宽度不变,仅纵向高度沿轴线方向变化. 模拟器用来提供模拟的二次流,模拟器总温 为丁,总压为P..的燃气由总压为P...皿的燃气经 过节流获得,在经过阵列喷管膨胀到马赫数Ma.. , Fig.1Schematicofmulti?nozzleejector 图1多喷管超声速引射系统示意图 此马赫数为Ma.,静压为P.的超声速气流即为模拟的二次流. 超声速扩压器采用了折线型等截面管道构成,后面未附加亚声速扩压段.这是因为Dufflocq等人发现 气流的可压缩性降低了剪切层增长速率,较高的对流马赫数对应于较低的剪切层增长速率,一,二次流的对流 马赫数不宜过高.German等人?的研究表明对于长径比大于8的扩压通道,是否加入亚声速扩压段对扩压 器的压力恢复性能影响很小,且加入亚声速扩压段会增加引射器的启动压比. *收稿日期:2007-02-28I修订日期:2007—07-15 基金项目:国家863计划项目资助课 作者简介:吴继平(1978一),男,博士生,研究领域为超声速引射器和高超声速推进技术Ijpwu_nudt@sohu.corn. 强激光与粒子柬第19卷 引射喷管沿纵向分上中下3层安装,每层沿引射器展向分布3个,计3×3共9个喷管安装位置.引射喷 管喉部可换,通过更换喷管喉部可以改变引射喷管出口马赫数Ma.引射器一次流工质采用总温,总压分别 为丁I和P的燃气,经过引射喷管中加速后进人混合室. 混合室以固定的半角a收缩,收缩比为;喉部等直段长为L高度为D,;亚声速扩压器的扩张半角为口, 扩张比为.在混合室中,一次流与二次流进行混合,并将动能传递给总压较低的二次流.最后,充分混合的 气流在经过第二喉道和亚声速扩压段扩压后排放到环境中. 引射器上安排了3组静压测点,分别为上壁面静压测点,一次流侧壁静压测点和二次流侧壁静压测点,文 中分别以”UpperWall”,”PrimaryFlow”和”SecondaryFlow!’标识.上壁面测点位于模拟器和超声速扩压器 上壁面.第一个测点位于模拟器驻留室,该点的压力为二次流总压P,.第二个测点位于扩压器人口之前,阵 列喷管出口之后,该点的压力为二次流人口静压P..图1中沿引射器轴线布置的圆圈为一次流侧壁静压测 点,三角形为二次流侧壁静压测点. 1.2测量设备 采用压力传感器测量了一,二次流的总静压,采用压力扫描阀PressureSystemInc9116测量了盲腔压力 及引射管道壁面静压分布.压力传感器包括正压传感器和负压传感器两种,采样频率为1kHz,测量精度为 0.25.PressureSystemInc9116智能便携式压力扫描阀的测量精度为士0.05.压力扫描阀的参考压力 直接接通大气,在实验开始之前由标准大气压计测定. 1.3实验方案裹171射喷蕾安装构型 实验采用了两种马赫数的引射喷管喉部,与喷 管延长段构成了两种引射喷管,这两种引射喷管(以 A和B表示)的设计马赫数Ma与参考马赫数 Maf之比分别为1.0和1.075.引射器混合室的收 缩比为,参数a,和L,/D,均保持不变.表1给 出了实验中选用的引射喷管安装构型以及相对应引 射器的管道马赫数Maejt,其中,”X”表示该位置未 安装引射喷管. Table1EIec00rnozzlesassemblingconfiguration ejectorconfigurationnozzleconfigurationnoteMa./Maltf 2实验结果与分析 2.1典型带二次流多喷管超声速引射器工作过程 图2给出了典型的多喷管超声速引射器在引射设计工况下二次流的工作过程.其中,一次流总压P.和 模拟器总压P,.咖采用参考压力Pel进行无量纲处理,二次流总压P.和二次流静压P.采用环境压力P.进行无 量纲处理.首先,在t=3.5S时刻打开一次流燃气人口阀门,燃气总压P开始上升;当P大于最小启动压力 时,引射器迅速启动,二次流人口静压P,降低到0.02p.以下;在t一4.9S时刻,打开模拟器人口阀门,总压为 P的燃气在模拟器驻留室中逐渐建立起二次流总压P阵列喷管出口二次#) 图2带二次流的多喷管超声速引射器典型工作过程 L|Dd Fig.3Comparisonofwallstaticpressuredistributions withandwithoutsecondaryflow(ejector1) 图3有无二次流情况下壁面静压分布对比 第9期吴继平等:带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究 启动状态直至,一6.6S引射器一次流燃气人口阀门关闭. 在加入二次流的情况下,阵列喷管出口二次流静压不受一次流的影响,说明该引射器正常工作,可以满足 该模拟的二次流对引射增压能力的需求,达到了引射器的设计目标,验证了多喷管引射方案的可行性. 图3给出了零二次流(t一4.8s)和带二次流(t一5.9s)情况下引射管道壁面静压分布.图中”Upper wall”标识的第一个测点位于模拟器的驻留室,为了绘图方便,将该点挪动到超声速扩压器之前不远处.零二 次流情况下,在引射喷管出口之前(L/D<4,L为轴向长度,D为参考展面宽度),各测点测得的壁面静压非 常平稳.在加入二次流后,模拟器驻留室的二次流总压建立,但阵列喷管出口压力仍然很低;超声速扩压段静 压逐渐升高;在整个混合室中,气流经过多次激波反射,静压缓慢上升,接近于等压混合;在第二喉道的等直段, 气流经过一个激波串增压,并最终通过亚声速扩压器排放到环境中. 在环境压力一定的情况下,第二喉道中激波串的位置直接反映了气流经过扩压后的压力恢复效果.压力 恢复效果越好,第二喉部等直段人口的气流总压越高,相应的激波串位置越靠近下游[1.因此,文中以第二喉 道激波串位置作为评价引射器引射增压能力的依据.值得注意的是,第二喉道中激波串位置相对于零二次流 情况下有较明显的后移.在这里,由于附面层的影响,激波串并未呈现常见的”锯齿状”压力分布[1. 2.2一次流总压对引射器性能的影响 图4(a)给出了不同一次流总压情况下,引射器引射二次流时的壁面静压分布.从图中可以看到:一次流 总压较高时,引射喷管出口压力相应较高,喉部等直段的激波串位置靠后,引射增压能力较强.但值得注意的 是,与图3中有无二次流情况下引射器轴向静压分布进行对比可以发现:一次流总压增加约15所获得的激 波串后移量几乎与仅仅加入很少流量(高增压比引射器的引射系数一般低于10)的二次流所获得的激波串 后移量相当.考虑到二次流总压比一次流总压要低2,3个数量级,若以加入的能量作为衡量标准,则两种情 况下加入系统的能量相差极大.然而,实际上最终获得的激波串后移量无明显差异.这表明在加入二次流之 后,一次流的压力损失有较大幅度的下降,这部分压力损失所对应的能量与一次流总能量的15相当. :…--0一-P./p..f=114,primaryflow ... :…;:;;::.31’,”prim.ary.flowlow(ejector1) 图4一次流总压对引射器壁面静压分布的影响 图4(b)给出了超声速扩压段壁面静压分布.从这个图中可以清晰地看到在超声速扩压段的前半部分,即 L/D<1,两种工况的壁面静压均不受一次流总压的影响,扩压器人口气流处于超声速状态,引射器工作正 常.在超声速扩压段后半部分(L/Dr>1),气流经过不同程度的扩压后与一次流达到压力匹配.当P一1. 14pr时,二次流在混合室人口处静压仍然较低,气流处于超声速状态,构成”超一超”引射.P一1.31Pt时,引 射喷管出口静压较高,超声速扩压段中的激波串前移,二次流经过激波串扩压后达到亚声速状态,引射状态转 变为”亚一超”引射.当一次流总压进一步提高时,扩压段激波串可能推到超声速扩压器人口之前.特别是当二 次流总压较低时,可能无法在经过扩压段扩压后达到与一次流的压力匹配. 在二次流人口参数一定,环境压力一定的情况下,评价引射器性能的两个主要指标就是引射增压能力和压 力匹配能力.然而,引射增压能力和压力匹配能力实际是两个相互矛盾的因素.实际设计引射器时,一般是在 保证引射增压能力有足够裕量的前提下,尽可能提高其压力匹配能力.为了提高引射器的压力匹配性能,使得 较低总压的二次流也能够被成功引射,一种可行的就是在引射器完成启动后适当调低一次流总压. 2.3引射喷管安装构型对引射器性能的影响 针对不同的引射喷管安装构型,对引射器带二次流的性能进行了研究.图5给出了分别采用1和2两 强激光与粒子束第19卷 种引射喷管安装构型引射器的壁面静压分布,其中,w为引射器一次流流量.实验中二次流人121总压P.偏差 小于4,可以认为二者基本相等;两种引射喷管构型引射器一次流总压均为P..从图5(a)中可以看到,1引 射器在一次流总流量降低9的情况下,其喉部等直段激波串位置更靠后,相应的引射增压能力越强.由于两 种构型所采用的一次流总压相同,因此1引射器的压力损失更小.再从图5(b)中可以看到:两种构型引射器 的超声速扩压器壁面静压分布非常接近,可以认为两种引射器在此工况下压力匹配能力基本无差别,也就是 说,1引射器在一次流流量更低的情况下,获得了同样的压力匹配能力和更高的引射增压能力.这样,对于 1引射器来说,可以在保证与2引射器相同引射增压能力的情况下获得更佳的压力匹配能力,即合理的引射 喷管安装构型可以同时提高引射器的引射增压能力和压力匹配能力. L/D,. (a)ejectorwallstaticpressuredistribution L/D, (b)supersonicdiffuserwallstaticpressuredistribution Fig.5Wallstaticpressuredistributionswithdifferentnozzleassemblingconfiguration 图5引射喷管安装构型对引射器壁面静压分布的影响 2.4二次流对一次流的”助推”作用 由二次流的引入能够大幅减小多股一次流的压力-r——=======]2 损失得到启发:采用二次流作为”助推器”,帮助引射器在.…1.0 较低的工况实现启动.由于带第二喉道引射器启动的o8}l=P,p/P,,*t}’j0.8 “迟滞效应”,引射器完成启动后适当降低引射器一次流0.6}5…….’l{0.6 总压不会导致引射器重新进入”不启动”状态Is2,故该方o4}』}ijo4 法具有可行性.ol2}Ji,…,jol2 图6给出了二次流作为”助推器”情况下引射器的工0L一,,..三三:一:0 作时序.首先在,一4.0S时刻打开一次流燃气,引射器,/. 未完成启动,盲腔压力约为0.3p.;在,一5.6s时刻模拟Fig.6Typi.1workingpthtthe..dy 器开始工作,产生总压为P.aim的燃气,二次流建立;在二fl.acts”booster”(el.t.1) 次流的助推作用下,引射器完成启动,阵列喷管出I=I二次图6典型的二次流作为”助推器”的工作时序 流静压在t----6.2S降至0.02p.以下;,一7.0S,模拟器关闭,引射器继续保持启动状态直至引射器关闭.采用 二次流”助推”成功地降低了引射器的启动工况. 3结论 采用模拟器产生给定总温,总压的二次流,可以方便地研究多喷管超声速引射器在有二次流情况下的工作 情况,检验多喷管引射器的带负载能力.实验结果表明:多喷管超声速引射器可以满足设计工况下模拟二次流 的引射增压需求,达到了引射器的设计目标;在满足引射增压能力的前提下,较低的一次流总压具有更好的压 力匹配能力;多喷管超声速引射器的引射喷管安装构型对引射器的性能有较大影响,合理的喷管安装构型意味 着可获得更高的引射增压和更好的压力匹配. . 同时,研究还发现二次流的加入,可以大幅减小混合室中多股一次流之间混合所产生的压力损失.在这一 现象的启发下,提出了将二次流作为”助推器”帮助多喷管引射器在较低工况下完成启动的方案.该方案有两 个好处:一方面,引射器在较低工况下运行,可以增加燃气引射器的使用寿命;另一方面,根据不同一次流总压 情况下引射器的带负载能力研究,较低的一次流总压具有更高的带负载能力.当然,也可以采用转工况的方法 在较高一次流工况下完成引射器启动,之后再降低一次流的工况.但是,在不增加系统复杂性的基础上,该方 第9期吴继平等:带二次流的多喷管超声速引射器性能实验研究l443 法也不失为一个提高引射器性能的有效途径. 参考文献: [1]SinghalG,SubbaraoPMV,RajeshR,eta1.Realizationofanadvancednozzleconceptforcompactchemicaloxygeniodinelaser[J]. 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Experimentalinvestigationonperformanceofmulti-nozzle supersonicejectorwithsecondaryflow WUji.ping,CHENJian,WANGZhen—guo (CollegeofAerospaceandMaterialsEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China) Abstract..Anejectortestfacilitywasestablishedtoinvestigatetheperformanceofamulti—nozzlesuper sonic~ectorwitha secondaryflow.Usingthehotrocketexhaustgasesasprimaryandsimulatedsecondarydrivingfluids.wallstaticpressuredistri— butions0ntheejectorwereobtained.Emphaseswerelaidonthereliabilityofthemulti—nozzleejectoran dtheinfluenceofthepri— maryflowtotalpressureandnozzleassemblingconfigurationsontheperformanceoftheejector.Experimentalresultsshowthat thepumpingrequirementofthesimulatedsecondaryflowcanbesatisfiedbyusingthemulti—nozzlesup ersonicejector.Withthe secondaryflowjoined,thepressurelossescanbereducedgreatly,whichalmostcorrespondsto15percentsoftheprimaryflowto— talenergy.Thelowerprimaryflowtotalpressureleadstobetterpressureadaptability. Reasonableejectorassemblingconfigura— tionmeanshigherpumpingcapacityaswellasbetterpressureadaptability.Thesecondaryflowcanbeusedasa”booster”tohelp themulti.nozzleejectorstartatmuchloweroperatingcondition,whichimprovesthepressureadaptabilitywithoutadditionalsys— terncomplexity. Keywords:Aero-optics;Supersonicejector;Secondaryflow;Supersonicdiffuser;Nozzle