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高频激光等离子体控制超声速氦气射流/激波相互作用后掺混的研究

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摘要

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,本文结合三维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了高频脉冲激光能量沉积对超声速氦气圆管射流与斜激波相互作用后掺混的控制机理,结合实验高速纹影拍摄,证实了高频脉冲激光能量沉积对射流掺混的增强效果.实验中考虑了马赫数分别为1.01和1.80的氦气射流同向射入马赫数为2.4的空气主流中,在下游与20°压缩斜面台阶所产生的斜激波-膨胀波相互作用.在斜激波上游射流中心位置处引入高频脉冲能量沉积对射流/主流之间的掺混进行控制,对比激励流场与基础流场的平均纹影图像,结果表明:位于射流中心的高频脉冲能量沉积显著提高了射流的掺混效果,促使射流纵向厚度增长30％有余.计算中考虑了马赫数为1.80的氦气射流/激波相互作用工况,数值模拟揭示了位于射流中心的脉冲能量沉积与斜激波相互作用后会诱导射流形成一系列大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果,促使射流横截面积和局部掺混效率增长2倍有余;且能量沉积所引起的总压损失仅为0.16％左右;同时脉冲能量沉积也增强了流场湍动能,有利于射流的掺混增强.

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