风室试验中轴对称排气引射-混合器的引射特性

　　排气引射-混合器在红外抑制、降噪和推力增强方面具有广阔的应用前景,其空气动力学引射特性对相关工程应用非常重要.环境空气引射量[1]是评价排气引射-混合器空气动力学性能的重要指标.在工程实践中,引射-混合器的进、出口与大气直接相连,引射口附近流动非常复杂,很难直接测量该装置的引射流量特性.

　　国内外针对引射-混合器装置的引射流量特性研究较多.Moss等[2,3]研究了在冷态条件下喷管出口与混合管进口间距对引射效果的影响;Davis[4]研究了喷嘴轴的倾斜以及扭转对引射效果的影响;Drucker[5]研究了壁面开孔混合管的引射器性能,发现壁面开孔可增加3次空气量,从而提高引射器的总体性能.Walsh等[6,7]的试验结果表明:降低混合管进口与喷管出口的面积比,将使发动机背压及引射系数降低;增加扩压器或在混合管壁面开孔而不会增加发动机的背压,同时还能够提高引射系数.另外,Staples[8]研究了横向流对引射器流动的影响,发现当存在横向流动时引射能力得到提高,混合管表面温度有所降低,但气膜冷却性能却恶化.以上研究主要集中于排气引射-混合器的性能优化上,而对引射流量精确测量的研究还甚少涉及.

　　周绍荣[9]通过热线风速仪测量引射入口处的2次流速度并通过环面积分法获得引射流量.由于引射入口处的速度分布相当复杂,这种测量方法的误差较大.马会民[10]采用风室收集器对引射流量进行测量.由于风室压力损失较大,所测引射流量与实际条件下的引射流量相差较大.本文借助计算流体力学的虚拟设计手段[11],设计并建立了大尺度引射进气风室装置.采用辅助风机补风以调整并逼近实际引射进口压力,从而提高了引射流量的测量精度.同时,测量了3种不同直径的混合管下轴对称引射-混合器的引射流量特性,并结合射流理论对其流动特征加以分析.

　　1 试验部分

　　以GB/T1236-2000作为风室试验装置设计准则,借助计算流体力学的虚拟设计手段建立图1所示的引射进气风室装置,包括窝壳、整流段(3层阻尼网和蜂窝器)、收缩段和试验段等部件,排气引射-混合器放置在风室测试段中.试验段截面尺寸为750 mmX750mm,与混合管的面积比为5.85B1,满足相关国家标准要求.主流风机提供的空气从主喷管喷出而进入混合管,同时,引射风机提供的空气作为引射流进入混合管内与主流掺混,并进行动量交换和质量掺混而排出系统.主流和引射风机入口处分别装有主流喷嘴流量计和引射流喷嘴流量计,以测量风机的空气流量.采用2套变频控制系统分别控制主流风机流量和引射风机补风流量.在设定主流流量的条件下,通过变频调整引射流量,直至监测面的总压达到环境大气压,此时所测引射风机流量即为该工况下引射-混合器的引射流量.试验中压力通过毕托管测量,压力信号通过电子微压计读取,其精度为19.6 Pa(?1.999 mm H2O),空气流量通过风洞校核的喷嘴流量计测量,其精度为±1.414m3/h.本文研究了3种直径的轴对称排气引射-混合器引射流动特性,其主要几何参数分别为:主喷管直径D1=200 mm;混合管直径D2=250,300,350mm;混合管长度L=700 mm.