● 摘要
波瓣混合器是涡扇发动机混合排气系统中的一种重要混合装置，它在几何结构上的特点是在垂直于流向存在凹陷的波谷和突起的波峰。本文采用理论研究与数值模拟相结合的方法，系统地对波瓣混合器强化混合的机理以及它在涡扇发动机混合排气系统中的工程应用进行了研究。本论文首先对波瓣混合器流场中流向涡强化混合的机理展开了详细的理论研究。结合环形混合器的标量混合效率以及细长体法，首次发展和完善了波瓣混合排气系统标量混合效率解析解。由标量混合效率解析解在不同波瓣结构，不同边界条件的波瓣混合排气系统中的计算结果，以及解析解计算结果同基于Navier-Stokes方程（N-S方程）的三维数值模拟结果的对比可知，波瓣混合器标量混合效率的解析解不但能够比较准确地描述混合排气系统内涵主流同外涵次流的混合过程，还能反映出波瓣混合器几何参数和边界条件对主、次流混合的影响，计算精度较高。其次，本论文对任意拉格朗日-欧拉法（ALE法）在波瓣混合器流场数值模拟中的应用进行了研究。研究结果表明，本论文编制的基于ALE法的并行化N-S方程求解程序MIXERNOZZLE2012能够使用较少的计算网格，精确地描述波瓣混合器的流场特征。此外，同RNG k-ε模型相比，标准k-ε模型配合ALE法能够更加精确地描述波瓣混合器流场中流向涡以及正交涡的发展规律。接着，本论文采用MIXERNOZZLE2012对波瓣混合排气系统进行了数值模拟研究。研究主要内容包括两个部分：（I）波瓣形状对混合排气系统气动热力性能的影响；（II）波瓣混合排气系统中，喷管Chevron尾缘对混合排气系统尾喷流的影响。在第一部分中，在波瓣混合器初始模型基础上，对其进行了优化，研究了不同波瓣形状对混合排气系统性能的影响。该部分研究结果表明：波瓣混合器脊线的变化能够阻止流体在波谷面处的边界层分离，减小波瓣混合排气系统流动的能量损失；在波瓣尾缘的切角、凹扇以及凹切修形能够强化主、次流的混合，提高混合效率，但会增加流动的能量损失。此外，在波瓣混合器几何结构对混合排气系统气动热力性能研究的过程中，作者发现在计算波瓣混合排气系统热混合效率时，工程上经典的热混合效率公式会出现错误的剧烈波动甚至负值。经分析出现这一现象的原因是波瓣混合排气系统的流场不再满足传统热混合效率的使用前提，公式计算结果会出现错误的变化趋势、剧烈波动甚至负值。为此，作者基于方差的概念和能量守恒原理重新推导并定义了一套新的热混合效率公式：刘-谢热混合效率公式，并编制了相应的后处理程序。通过在混合排气系统中的应用，发现刘-谢热混合效率公式能够正确地描述涡扇发动机混合排气系统中主、次流沿流动方向的混合规律。在第二部分中，在波瓣混合器形状研究的基础上，选出性能较好含凹切修形的波瓣混合器，并在混合排气系统喷管尾缘加入Chevron形尾缘以研究波瓣同Chevron形尾缘共同作用下所形成的“二次混合强化作用”对波瓣混合排气系统尾喷流的影响。研究结果表明：在Chevron形尾缘和波瓣混合所产生的两种流向涡的共同作用下，带Chevron形尾缘的波瓣混合排气系统能够有效地降低尾喷流与大气接触区域尾喷流的速度和温度。但Chevron形尾缘的加入会使原来波瓣混合排气系统的推力降低2%左右。最后，本论文采用数值模拟的方法，研究了短舱中吊挂系统的堵塞效应对波瓣混合排气系统气动热力性能的影响。研究结果表明，受吊挂系统的影响，在波瓣混合排气系统混合段内，存在着一大尺度的回流区，且回流区的作用范围随吊挂长度的增加而增加。在性能参数方面，加入吊挂之后，混合排气系统热混合效率以及推力与未加吊挂系统时相比相差很小，但加吊挂后总压恢复系数却变化很大。此外，随着吊挂系统长度的变化，混合排气系统性能参数的变化较小。当在含吊挂的波瓣混合排气系统喷管出口加入Chevron形尾缘时，Chevron形尾缘在一定程度上提高了流向涡在混合排气系统出口处的涡量，强化了尾喷流同外界大气的混合，降低了尾喷流的温度，但Chevron形尾缘的加入也产生了额外能量损失，使混合排气系统推力下降了约5.6%。