摘要
受限撞击流反应器因其快速、高效的混合性能，在各种化工生产和航空航天推进领域得到了广泛的应用。在受限撞击流反应器的湍流流场中存在大量的拟序涡结构，这些结构对流场的流动特征和混合效果有重要影响。本文采用基于SSTk-ω模型的IDDES方法对受限撞击流反应器内部的流动和混合过程进行了数值模拟研究，通过分析流场的瞬时特性和相平均特性，较完整地识别了流场不同区域的大尺度涡结构，探讨了这些涡结构的动力学行为以及相互作用对流场的三维流动特性的影响。讨论了涡结构对动量和热量输运的影响规律，揭示了混合机理。本文研究有助于丰富对受限撞击流反应器流场的机理分析，为实施流动控制和改善混合效果提供基础理论依据，具体内容归纳如下: (1)研究了受限撞击流反应器内不同区域的流动特性以及大尺度涡结构的动力学特性。结果表明，在射流出口附近的上游剪切层内，K-H不稳定性的发展诱发了准二维展向涡的产生，两股射流剪切层内的展向涡在强度上基本相当，旋转方向相反。由于射流撞击引起的速度和压力的周期性变化以及一次回流区涡流的周期性运动，射流剪切层发生周期性偏转振荡，进而导致撞击驻点的偏移。在撞击区，随着剪切层的偏转振荡，腔室轴线两侧的展向涡产生周期性运动并在腔室中心附近卷吸环境流体，撞击区流向涡的生成响应于被卷吸的流体之间的展向剪切作用。在向下游流动的过程中，旋转方向相同的流向涡相互靠近并合并成更大尺度的涡结构，最终在二次回流区附近遇到不利的流向逆压梯度，发生破裂。在下游发展区，由于二次回流区的两个再附着长度不相等，腔室轴线两侧的气流之间存在速度差，因此在两股流体的剪切层内K-H不稳定性发展并卷起大尺度的展向涡，涡的卷起导致壁面边界层的厚度增加。相邻展向涡的旋转方向相反并沿流向交替排列，随着流动向下游发展，展向涡的横向尺度不断减小，对壁面边界层的影响也逐渐减小。 (2)研究了受限撞击流反应器内不同区域的混合特性，讨论了涡结构在动量和热量输运过程中所起的作用。结果表明，在射流的出口附近，射流剪切层内展向涡的卷起引起相对较强的速度脉动。圆顶区内存在低速回流区，速度脉动和温度脉动均较小，由于停留时间较长，来自于上方射流的低温流体和下方射流的高温流体实现了良好的混合效果。在撞击区，由于大尺度流向涡的存在以及射流撞击造成的强速度梯度，流体的湍流度显著增加，引起了强烈的动量输运和横向热量输运，但由于流向涡的展向和横向尺度较小，混合主要发生在腔室中心附近。在下游发展区，二次回流区的分离剪切层中产生了强烈的湍流脉动，促进动量混合，但对热量输运的影响不明显。大尺度展向涡通过卷吸周围的环境流体到腔室中心附近的混合层中，导致两股流体之间的接触面积增大，有效促进了热量输运，显著强化了湍流混合。
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