[发明专利]一种可形成均匀速度场的对冲火焰喷管设计方法

说明书

本发明公开了一种可形成均匀速度场的对冲火焰喷管设计方法，应用于基础燃烧研究及对冲火焰实验装置领域。喷管从气流入口至气流出口划分为：喷管扩散段、喷管过渡段、喷管收缩段；包括：根据喷管收缩段的几何参数确定喷管扩散段、喷管过渡段；对喷管收缩段的轮廓进行约束，得到喷管收缩段的轮廓表达式；根据喷管收缩段的轮廓表达式计算喷管收缩段的评估参数；判断喷管收缩段的评估参数是否符合要求，若符合，则得到喷管收缩段模型；若不符合，则返回调整对喷管收缩段的轮廓约束，直到符合要求，得到喷管收缩段模型为止。该方法不仅使实验区域内形成均匀的出口速度分布，并且有效降低了边界层厚度，从而保证了对冲火焰实验数据的有效性。

技术领域

本发明涉及基础燃烧研究及对冲火焰实验装置领域，特别涉及一种可形成均匀速度场的对冲火焰喷管的设计和优化方法。

背景技术

对冲火焰能够对扩散、预混以及部分预混燃烧进行研究，为实际工程领域中的湍流燃烧提供基础数据和参考。并且对冲火焰模型可以采用准一维假设进行数值仿真，相比于高维仿真计算量大大降低。由于上述优势，对冲火焰的仿真和实验研究受到燃烧领域内的广泛关注。

在对冲火焰实验研究中，对置喷管的结构是影响流场质量的关键因素。不均匀的出口速度分布和较厚的边界层都会对冲火焰的实验数据产生较大影响。目前对冲火焰实验装置多采用直喷管或直线型收缩喷管，但这样的喷管结构容易导致出口边界层过厚、流动分离以及层流到湍流的转捩，因而无法保证实验数据的有效性。

为此，如何提供一种能够在实验区域内形成均匀的出口速度分布以及有效降低边界层厚度的对冲火焰喷管是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可形成均匀速度场的对冲火焰喷管的设计和优化方法，该方法通过一个八阶多项式对喷管收缩段的轮廓进行约束，并对得到的轮廓表达式通过评估参数包括边界层动量厚度、边界层厚度、可表征边界层转捩的参数进行评估，从而最终得到符合评估参数要求的喷管收缩段模型。使得两对置喷管出口处，即两对置喷管的收缩段出口处形成平坦的轴向速度剖面、避免流动分离以及层流到湍流的转捩，并降低了出口边界层厚度，从而保证了对冲火焰实验数据的有效性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可形成均匀速度场的对冲火焰喷管设计方法，喷管从气流入口至气流出口划分为：喷管扩散段、喷管过渡段、喷管收缩段；

包括：

步骤(1)根据喷管收缩段的几何参数确定喷管扩散段、喷管过渡段；

步骤(2)对喷管收缩段的轮廓进行约束，得到喷管收缩段的轮廓表达式；

步骤(3)根据喷管收缩段的轮廓表达式计算喷管收缩段的评估参数；

步骤(4)判断喷管收缩段的评估参数是否符合要求，若符合，则得到喷管收缩段模型；若不符合，则返回调整步骤(2)中对喷管收缩段的轮廓约束，直到符合要求，得到喷管收缩段模型为止。

可选的，上述步骤(1)中，喷管收缩段的几何参数包括喷管收缩段的出口直径、喷管收缩段的面积收缩比、喷管收缩段的长度。

可选的，喷管扩散段的入口直径与喷管收缩段的出口直径相同；喷管扩散段采用渐扩设计，且喷管扩散段的面积扩张比与喷管收缩段的面积收缩比相同；喷管扩散段的长度与喷管收缩段的长度相同。

可选的，喷管过渡段平行于轴向；喷管收缩段的入口直径为所述喷管收缩段的出口直径的平方与所述喷管收缩段的面积收缩比之积的开方，喷管过渡段的出入口直径与喷管收缩段的入口直径相同；喷管过渡段的长度大于喷管收缩段的长度。

可选的，上述步骤(2)中，通过一个八阶多项式对喷管收缩段的轮廓进行约束，八阶多项式为：