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1、l一.论文题目、意义及研究现状；l二.研究的内容和预期目标；l三.拟采取的研究方法；l四.研究的总体计划及进度安排。大分子量差异超音速射流剪切层的动量传递过程 l 在化学氧碘激光武器（COIL）和火箭冲压发动机(Ramjet)等应用系统中，目前超音速引射器Supersonic ejector被广泛采用。 l 超音速引射器还被应用在超音速风洞(Supersonic Wind tunnel)超音速燃烧(Supersonic Combustion)甚至高超音速Hypersonic等研究领域里。 l 引射器的理论基础是湍流的射流理论Turbulent Jets； l 在这些超音速引射器里，都会遇到可压
2、缩气流剪切层compressible shear layers（也可以称作混合层mixing layers）的问题。根据研究发现，上述这些应用系统的性能和功效，主要就取决于引射器里剪切层的夹带湍流混合以及燃烧的过程。而且可压缩剪切层对于其他的流体流动也是重要的因素之一。 l 我的论文研究是基于COIL（化学氧碘激光武器）背景的，目的是为了研究剪切层内气流之间动量传递的过程，以便更好地发挥超音速引射器引射增压的功能。l 所谓引射增压，就是针对一股低总压气体，用少量在高速低静压条件下流动的高总压气体，与低总压气体之间形成流动剪切层，并通过剪切层将动量交换给低总压气体，最后达到较高的混合气体总压，经
3、扩压成为高静压气体。 l4.1 几种可能的方案 ； l 化学氧碘激光武器（COIL）的工质氧碘气流，总压只有约32.5torr,单纯扩压无法达到向大气排出的目的，必须向系统提供能量，增压25到30倍后才能向大气排出。l 原理上可行的增压系统除引射器外还有机械抽真空法。通过扩压，氧碘流静压恢复到25torr左右，流量达到30m3/s。l 用真空泵抽，需几十台机组并联，重量大，功耗达几万千瓦，而激光器功率才几十万瓦。l 采用多级叶轮式压气机，可以达到1020的增压比以及较大的容积流量，但增压比还不足，需要流量30m3/s以上的前级增压器，无法实现。l 而采用引射器增压的办法，设备体积小，重量轻，但
4、是技术难度较大。l4.2 工况具体的一些参数； l 十万瓦级的激光器：氧碘气流流量40mol/s，分子量11.1，比热比k1.57，Ma=2.0 ，T=150K, 音速约420m/s, 压力P4torr。该状态容积流量Q=93.5 m3/s, 总温约320K。l4.3 采用超超引射的原因； l 1).超亚引射；l 图11 超亚引射器原理图l 传统的引射器多是超亚引射，即超音速流引射亚音速流，这种方法扩亚效率高，但是多级引射的设备长度很长，体积较大，而且管路内流动需多次超亚转换，不等熵损失大，流动特性复杂，效率降低，不利启动。l 优点是：亚音速可以转弯。l2). 超超引射；l l 图12 超超引
5、射器原理图l 超超引射是指超音速流引射超音速流，超超引射系统中不存在超/亚音速激波面，只在出口处出现激波，效率虽然低，但是引射器体积小，长度短，容易启动，适合段时间工作的应用。l 缺点是：必须气流不能转弯。l 在超超引射器中，主流primary flow与被引射流secondary flow 混合段的l入口，提高主流静压可以提高混合流的总压，但又有可能在下游出现被引射流的气动喉口，造成臃塞。因而在超超引射器的设计中，主流与被引射流的出口截面经常采用等静压布置，所以需要两级引射，而且要为两级引射器分别提供压力相差较大的高压源，才有利于提高系统的性能。l4.4 超超引射当前的研究状况；l1). 主
6、要集中在一维轴对称引射的理论研究、计算和实验；一维理论模型采用的是选取控制体的办法，控制体的长度选取的是L6D，因为根据实验经验当混合长度L6D时，气体达到完全混合。l 而氧碘激光器的排气管为扁平的方管，我们的研究也将建立在二维平板模型基础上，所以我们更关心二维工况，二维引射可参考的资料很少，多数也只限于实验；l 2). 主要是用空气引射空气的工况，对于不同种气体，尤其是有较大分子量差异的引射的研究很少。l5. 数值模拟的方法；l 研究的理论基础是：Turbulent Jets射流理论。具体的研究目标有两个：l1. 希望通过数值模拟的办法，给出二维的引射混合过程；特别是一维理论模型不能反映的当
7、混合长度L6D时，气体的具体混合过程。l 一维理论模型不能反映径向的物理过程，所以它只能得到混合前后的速度和压力变化情况，无法反映混合过程。l 根据氧碘激光器的排气管为扁平的方管，我们将建立二维混合方管模型，用数值计算的办法，模拟出混合过程。希望能给出是否混合完全，完全混合长度等与混合有关的信息。l l2. 研究引射气体分子量差异的影响；l 根据音速公式 ，选用低分子量的气体能够提高音速，选用高比热（多原子气体）可以在总压足够的条件下减少总温。TkRC0l 参考一些研究资料后，我们发现，在大分子量差的气体引射中，当两种气体真实速度差不太大时（马赫数可能差别较大），随着剪切层的发展，气体的总压会
8、突然有很大的降低（见图21），而这一点将大大降低引射的效率。我们希望对这一类工况作重点的研究。l l图 21 同种气体和有分子量差异工况对比l 图21显示工况的气体特性对照表：引射气体被引射气体分子量之比Case 1空气 29氧碘气流 1 1 . 12.61Case 2 水蒸汽 18氧碘气流 11.11.62Case 3 CO2 44CH4 162.75l 将被数值模拟的大分子量差异引射工况表： l 表 21l3.1 研究方法 l方法一：数值模拟通过商用软件 l Fluent5.0来运行程序;l方法二：气动BGK格式；lBGK格式简介：l 它是基于Boltzmann方程的BGK模型l的差分格式
9、该格式自动满足熵条件，具有鲁棒性和保证性等优点。l3.2 数值模拟的物理模型l 超超引射的物理模型可以简化为两个阶段：l 1.剪切层混合阶段；l 2.减速扩压阶段。 l l 本论文研究的是超音速剪切层的混合阶段。混合阶段的物理模型为：l 两股分子量差异较大的超音速气流在一个前后开口的二维方管内同向混合，l这两股气流之间形成剪切层，通过剪切层的扩张，高总压气体将动量交换给低总压气体，经过一定的长度后，达到完全混合。l 在该二维平板模型中，我们还要作出如下简化：l1.流动是可压缩的，两股气流是热完全 气体；l2.不考虑壁面摩擦和堵塞的发生；l3.混合前后均不产生激波面；l4.混合段是绝热壁；l3.3 控制方程l1).质量守恒方程；l2).动量守恒方程；l3).能量守恒方程；l4).雷诺应力输运方程；l4.1 总体计划l 整个论文的进展，首先将是建立合适的简化物理模型，然后是列出控制方程，最后通过应用软件给出数值解。l 本论文进行的只是数值模拟，对于结论的准确性和可靠性，必须经过实验的验证。l4.2 进度安排l1). 2002年10月至2003年1月调研；l2). 2003年1月17日作开题报告；l3). 2003年12月作论文中期报告；l4). 2004年6月答辩。
