Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2020 Vol.21 No.8 P.609-694

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Issue (Part I) on the Mixing and Combustion in Supersonic/Hypersonic Flows

Guest Editor-in-Chief: Wei HUANG

Guest Editors: Jun-tao CHANG, Li YAN

Editorial

Mixing and combustion in supersonic/hypersonic flows

Wei Huang, Jun-tao Chang, Li Yan

DOI: 10.1631/jzus.A20MCSF1 Downloaded: 1776 Clicked: 3786 Cited: 0 Commented: 0(p.609-613) <Full Text>

Chinese summary <19> 超/高超聲速氣流中(zhōng)的混合與燃燒

概要:在國家自然科學基金兩期重大(dà)研究計劃的指導下(xià),高超聲速技術越來越成熟,尤其是它的核心組成部分(fēn)--吸氣式高超聲速推進系統. 爲了滿足單級/兩級入軌可重複使用飛行器以及高超聲速飛機對動力裝置的需求,非常有必要發展一(yī)些新概念組合循環發動機方案. 但是,由于高速氣流在超燃沖壓發動機燃燒室内的滞留時間非常有限,隻有毫秒量級,所以在如此快的流速下(xià)通過加熱來獲取有用推力仍然極具挑戰性. 爲此,學者們提出了許多混合增強措施,包括超/高超聲速氣流中(zhōng)的火(huǒ)焰傳播與穩定機制. 本專輯收集了相關科研人員(yuán)在設計理論、數值仿真、地面風洞試驗等方面取得的一(yī)批核心技術成果,包括激波/湍流邊界層幹擾控制,隔離(lí)段中(zhōng)激波串與湍流邊界層之間的強幹擾,超燃沖壓發動機燃燒室中(zhōng)的混合、點火(huǒ)與火(huǒ)焰穩定,以及旋轉爆震發動機中(zhōng)的模态轉換等. 這些研究對大(dà)尺度發動機的工(gōng)程化具有重要的參考價值.

關鍵詞組：混合; 燃燒; 超/高超聲速氣流; 模态轉換; 激波/邊界層幹擾

Articles

Experimental study and analysis of shock train self-excited oscillation in an isolator with background waves

Wen-xin Hou, Jun-tao Chang, Chen Kong, Wen Bao, Laurent Dala

DOI: 10.1631/jzus.A2000042 Downloaded: 1995 Clicked: 2869 Cited: 0 Commented: 0(p.614-635) <Full Text> <PPT> 1463

Chinese summary <21> 帶有背景波系的隔離(lí)段内激波串自激振蕩的實驗研究與分(fēn)析

目的:隔離(lí)段内存在背景波系時,激波串在自激振蕩過程中(zhōng)會出現三種振蕩模式,并表現出非對稱結構. 本文旨在研究背景波系是如何引起激波串的非對稱結構以及背景波系對振蕩特性的影響,并探究自激振蕩的擾動來源.
創新點:1. 從激波串結構和振蕩特性兩個方面揭示背景波系對激波串自激振蕩的影響; 2. 獲得引起激波串自激振蕩的擾動來源.
方法:1. 通過實驗分(fēn)析,結合激波極曲線,研究背景波系引起的壓力間斷對激波串結構的影響; 2. 結合實驗獲得的激波串振蕩特性以及數值模拟得到的壁面壓力梯度,分(fēn)析背景波系引起的壓力梯度對自激振蕩的影響; 3. 通過對壁面壓力進行相關性分(fēn)析和相位分(fēn)析,獲得自激振蕩擾動的來源.
結論:1. 背景波系引起的壓力間斷導緻了激波串的非對稱結構; 2. 背景波系引起的壁面壓力梯度影響激波串前緣的振蕩範圍和振蕩強度; 3. 在帶有背景波系的隔離(lí)段内,引起自激振蕩的擾動來源于前緣激波産生(shēng)的分(fēn)離(lí)區内.

關鍵詞組：自激振蕩; 背景波系; 非對稱結構; 擾動源

Experimental investigation on flow characteristics of a transverse jet with an upstream vortex generator

Yan-hui Zhao, Jian-han Liang, Shun-ping Zhang, Hong-yu Ren, Yu-xin Zhao, Shun-hua Yang

DOI: 10.1631/jzus.A1900392 Downloaded: 2262 Clicked: 3765 Cited: 0 Commented: 0(p.636-651) <Full Text> <PPT> 1738

Chinese summary <21> 噴孔上遊渦流發生(shēng)器誘導下(xià)的橫向射流流動特性研究

目的:通過在噴孔上遊安裝渦流發生(shēng)器(VG)來研究超聲速橫向射流(JISC)的流動特性. 采用納米粒子平面激光散射(NPLS)和空間粒子圖像測速(SPIV)技術對流場進行觀測,并設計三種工(gōng)況進行對比實驗,以研究橫向射流的流動特性.
創新點:1. 采用NPLS和SPIV爲實驗觀測手段,定量化地研究渦流發生(shēng)器對超聲速來流的穿透深度和橫向擴散的影響; 2. 根據實驗觀測結果展示渦流發生(shēng)器與橫向射流相互作用的流場特性,揭示渦流發生(shēng)器的混合增強機理.
方法:1. 采用NPLS流場進行觀測,獲得瞬态流場灰度圖(圖6、7和10~12),并分(fēn)析不同觀測平面的瞬态流場結構; 2. 基于瞬态流場灰度圖,通過邊緣檢測和統計分(fēn)析方法,提取射流穿透深度和橫向擴散邊界(圖14),并對渦流發生(shēng)器的混合增強效果進行分(fēn)析; 3. 采用SPIV技術對流場進行觀測,獲得多個觀測截面的平均速度場,并根據速度場計算渦量場(圖8、11和15),揭示射流流向渦的渦量分(fēn)布.
結論:1. 在設計的三個實驗工(gōng)況中(zhōng),CASE0是橫向射流基本工(gōng)況; 與CASE0相比,CASE1中(zhōng)的VG在噴孔附近的羽流兩側産生(shēng)了兩個誘導渦,在形态上形成了一(yī)個耳朵形渦結構; CASE2中(zhōng)VG尾流的間歇性大(dà)尺度渦對射流迎風側的誘導渦起主導作用,産生(shēng)了一(yī)個大(dà)尺度流向渦. 2. 與CASE0相比,CASE1中(zhōng)射流的穿透深度和橫向擴散邊界分(fēn)别增加了8.5%和17.0%,而CASE2中(zhōng)的穿透深度和橫向擴散邊界分(fēn)别增加了26.2%和0.5%; 因此,在CASE2中(zhōng),穿透深度的增加更顯著,而橫向擴散沒有明顯改善,這與相互作用模式的渦結構特性有關. 3. 渦量分(fēn)布表明,CASE1中(zhōng)存在一(yī)個複雜(zá)流向渦系統,且VG的尾流在射流反轉旋渦對(CVP)的内側形成了一(yī)對誘導渦,而在CASE0中(zhōng),誘導渦應該在CVP的下(xià)方. 4. 根據多個yoz截面的渦量場分(fēn)布可以發現,VG促進了射流腎形渦的形成和發展.

關鍵詞組：渦流發生(shēng)器; 超聲速來流中(zhōng)的橫向射流; 穿透深度與橫向擴散; 渦結構

Effects of bleed hole size on supersonic boundary layer bleed mass flow rate

Bao-hu Zhang, Yu-xin Zhao, Jun Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1900507 Downloaded: 2056 Clicked: 3148 Cited: 0 Commented: 0(p.652-662) <Full Text> <PPT> 1629

Chinese summary <23> 抽吸孔尺度對超聲速邊界層抽吸流量的影響

目的:在超聲速來流條件下(xià),探索影響抽吸流量的關鍵參數,爲高超聲速進氣道抽吸系統的設計提供參考.
方法:1. 從抽吸系統提取出邊界層厚度、抽吸孔徑和深度三個尺度,并采用單變量原則,通過數值模拟分(fēn)别研究三個尺度對抽吸流量的影響; 2. 采用普朗特-邁耶膨脹波理論,根據抽吸流動是由壓差驅動的物(wù)理機制,建立超聲速抽吸壅塞模型.
結論:1. 超聲速圓孔抽吸包括超聲速前緣、亞聲速前緣和邊界層中(zhōng)的亞聲速部分(fēn)三種抽吸物(wù)理機制; 2. 在非壅塞與壅塞條件下(xià),随着孔徑與深度比值的變化,流量系數具有不同的演化規律; 3. 深度是影響抽吸流量的主要因素,孔徑是次要因素; 4. 在一(yī)定的孔徑深度比值下(xià),抽吸在非壅塞條件下(xià)具有回流現象,而在壅塞條件下(xià)不具有回流現象.

關鍵詞組：超聲速抽吸; 壅塞; 尺度效應; 抽吸質量流率; 進氣道; 橫向流動

Experimental investigation on flame stabilization of a kerosene-fueled scramjet combustor with pilot hydrogen

Wen Shi, Ye Tian, Wan-zhou Zhang, Wei-xin Deng, Fu-yu Zhong, Jia-ling Le

DOI: 10.1631/jzus.A1900565 Downloaded: 2151 Clicked: 3094 Cited: 0 Commented: 0(p.663-672) <Full Text> <PPT> 1646

Chinese summary <20> 先鋒氫引燃煤油的超燃燃燒室火(huǒ)焰穩定性研究

目的:1. 在模拟飛行馬赫數4.0條件下(xià),通過直連實驗研究先鋒氫當量比對煤油燃料沖壓發動機點火(huǒ)及穩焰的影響; 2. 通過多種非接觸光學測量手段研究超燃沖壓發動機内燃燒流場的結構變化和火(huǒ)焰建立等動态過程.
創新點:1. 通過直連實驗發現,适量提高先鋒氫當量比有利于發動機點火(huǒ),且先鋒氫的存在是發動機穩燃的前提; 2. 得到了超燃發動機點火(huǒ)及燃燒不穩定特征的流場.
方法:1. 通過直連實驗,得到監測點壓力動态變化數據并對其進行分(fēn)析(圖4和5); 2. 通過光學測量手段,觀測流場及火(huǒ)焰動态變化過程(圖6~12).
結論:1. 當先鋒氫當量比爲0.080時,煤油燃料超燃沖壓發動機成功點火(huǒ); 當先鋒氫當量比爲0.040時,點火(huǒ)失敗; 當先鋒氫關閉後,超燃沖壓發動機熄火(huǒ). 2. 煤油火(huǒ)焰主要集中(zhōng)于凹槽後緣斜坡且結構是非對稱的; 燃燒是不穩定的且伴随着反複的前後移動.

關鍵詞組：超燃沖壓發動機; 火(huǒ)焰穩定性; 先鋒氫; 煤油; 超聲速燃燒

Comparison of geomagnetic aided navigation algorithms for hypersonic vehicles

Kai Chen, Wen-chao Liang, Ming-xin Liu, Han-yan Sun

DOI: 10.1631/jzus.A1900648 Downloaded: 2088 Clicked: 3211 Cited: 0 Commented: 0(p.673-683) <Full Text> <PPT> 1659

Chinese summary <21> 高超聲速飛行器的地磁匹配輔助導航算法比較

目的:驗證三種經典的地磁匹配輔助導航算法在臨近空間高超聲速飛行器導航中(zhōng)的适用性. 探讨和比較地磁輪廓匹配(MAGCOM)、沿等值線最近點叠代(ICCP)和桑迪亞地磁輔助導航(SIMAN)算法在助推-滑翔高超聲速飛行器導航中(zhōng)的實時性、穩定性和定位精度.
創新點:比較分(fēn)析助推-滑翔高超聲速飛行器上的三種地磁匹配算法,并讨論其适用性.
方法:1. 分(fēn)析地球磁場組成部分(fēn)的時變特性,并選取地球主磁場作爲地磁匹配輔助導航的地磁基準圖. 2. 根據三種地磁匹配算法的原理,分(fēn)别總結出三種算法的流程和步驟; 根據慣性/地磁組合導航的原理,給出組合導航的狀态方程和觀測方程. 3. 根據世界地磁場模型(WMM)得出地磁基準圖,并在簡化的助推-滑翔飛行器彈道上對三種算法在不同的磁誤差條件下(xià)進行仿真驗證和比較.
結論:1. 在磁誤差很小(xiǎo)的情況下(xià),SIMAN算法和MAGCOM算法的定位精度都很高; 在磁誤差較大(dà)的情況下(xià),SIMAN算法的精度最高. 2. SIMAN算法的穩定性最好,而MAGCOM算法的穩定性最差. 3. SIMAN算法的實時性最好,而ICCP算法的實時性最差.

關鍵詞組：地磁導航; 等值線; 地磁要素; 組合導航; 卡爾曼濾波

Numerical study on the morphology of a liquid-liquid pintle injector element primary breakup spray

Rui Zhou, Chi-bing Shen, Xuan Jin

DOI: 10.1631/jzus.A1900624 Downloaded: 2196 Clicked: 3387 Cited: 0 Commented: 0(p.684-694) <Full Text> <PPT> 1629

Chinese summary <19> 針栓式噴注器單元液/液撞擊的一(yī)次破碎形态的仿真研究

目的:針對液/液針栓式噴注器單元,研究其在不同徑向射流噴注速度下(xià)的一(yī)次破碎形态,并闡明在一(yī)次破碎下(xià)噴霧半錐角的形成、壓力場分(fēn)布、噴霧粒徑分(fēn)布與速度場分(fēn)布.
創新點:通過流體(tǐ)體(tǐ)積函數轉換離(lí)散相(VOF-to-DPM)模型,結合網格自适應(AMR)技術還原了針栓式噴注器單元液/液撞擊的一(yī)次破碎形态.
方法:1. 通過VOF-to-DPM模型完成一(yī)次破碎過程中(zhōng)對液相的捕捉; 2. 采用計算流體(tǐ)動力學後處理(CFD-post)模塊進行後處理,得到一(yī)次破碎下(xià)噴霧半錐角的形成以及壓力場、噴霧粒徑與速度場的分(fēn)布雲圖; 3. 在仿真計算過程中(zhōng)使用AMR技術減少計算量,節約時間成本與計算資(zī)源.
結論:1. 速度大(dà)的徑向射流在穿透軸向液膜後會形成一(yī)個蘑菇狀的頭部; 擾動在蘑菇狀頂端下(xià)方形成渦,有助于蘑菇狀頂端邊緣破碎的發生(shēng). 2. 氣動力和表面張力對軸向液膜破碎過程中(zhōng)産生(shēng)的直液絲和環狀液絲的破碎起到重要作用; 由于液滴的聚合現象,軸向液膜的直徑在破碎過程中(zhōng)并不是單調遞減的. 3. 噴霧半錐角的大(dà)小(xiǎo)和徑向射流速度的大(dà)小(xiǎo)成正比; 一(yī)次破碎首先發生(shēng)在軸向液膜前沿、徑向射流頭部以及撞擊點附近. 4. 在表面張力的作用下(xià),軸向液膜内邊緣的速度較小(xiǎo),直徑較大(dà); 當徑向射流的速度增大(dà)時,軸向液膜内邊緣的速度值減小(xiǎo)得更加明顯.

關鍵詞組：針栓式噴注器單元; 液/液撞擊; 一(yī)次破碎; VOF-to-DPM 模型; AMR技術