合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25%,合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离数值模拟研究

为了探究合成双射流激励器及出口射流参数对圆柱绕流流动分离的控制效果,首次对合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离进行了数值模拟。数值计算结果显示:保持激励器出口射流振幅不变的条件下,出口射流频率等于尾迹涡脱落特征频率时,射流控制作用与绕流流场耦合效果最好,控制流动分离效果最佳;保持出口射流频率为尾迹涡脱落特征频率时,在数值计算测试范围内,随着射流振幅的增大,射流对于流场的动量掺混能力增强,控制效果也随之增强。机理分析表明:合成射流位于前驻点的控制,主要通过在圆柱前缘形成虚拟气动外型来达到减阻控制的效果;而合成射流位于后驻点的控制,主要是通过增强回流区的动量掺混来提高回流区抑制分离的能力,从而达到减阻控制的效果。     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。     

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

平片激振对锐缘分离流场宏观作用的实验研究

本文对激振与未激振锐缘分离流场细节进行了比较。结果表明 ,作用于分离点的适当频率的激振对分离流场产生了 6种互相耦合的作用效应 ,它们是 :( 1)从整体上减弱或抑制分离流动 ;( 2 )改变分离区湍流结构 ,加剧湍流运动 ,加快混合和剪切层增长 ;( 3)增强局部区域的回流流动现象 ;( 4 )使分离剪切层再附 ,改变分离流态和分离涡分布 ;( 5)减弱下游流场湍流脉动 ;( 6)增强尾流下弯程度。本文工作为激振控制分离流动技术的工程应用提供了物理基础与指导。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40％左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。     

细干扰线对后向台阶分离流的作用

应用氢泡流动显示技术研究了后向台阶层流边界层分离、再附整个过程中流动结构的发展变化。内容涉及基本流动和非定常控制。非定常控制通过在台阶上游不同位置布置的细干扰线产生的尾涡来实现。流动显示结果表明细干扰线在大多数情况下延缓了剪切层的再附,只有当xw/h=0,yw/h=0.5时可使再附距离缩短。     

多路等离子体合成射流改善翼型性能实验研究

等离子体合成射流(PSJ)响应快,频带宽,强度大,在飞行器增升减阻领域具有广阔应用前景。但常规等离子体合成射流只是单点激励,作用范围小,控制效果弱。为提高等离子体合成射流抑制机翼流动分离的能力,设计了一种新型多路放电电路驱动合成射流,使单个电源产生5~12路多点、高强度合成射流激励,并将其用于高升力翼型失速分离控制。研究了激励频率、电容能量、来流速度和激励位置对流动控制效果的影响以及阵列式激励的控制规律。实验结果表明:12路PSJs各路均能产生较强的冲击波和射流,能有效抑制翼型吸力面的流动分离,增加升力,推迟失速;当激励频率为150Hz使无量纲频率等于4.8时,流动控制效果最好;电容能量越大,来流速度越小,流动控制效果越好;翼型距前缘15%c处为最佳激励位置,在主翼后缘施加激励与前缘激励类似,能有效抑制主翼流动分离;在主翼前缘和后缘同时施加激励,增升效果变强,推迟失速的能力降低。流场存在延迟效应,延迟时间不小于585s。     

一种控制气流分离的无源微脉冲射流技术研究

基于压气机在大负荷下发生气流分离的流动特征提出了一种无源引气微脉冲射流控制的概念,并对其核心的脉冲射流器进行了特性实验分析,结果表明脉冲射流器能产生明显的脉冲射流且射流频率无级可调.结合无源脉冲射流控制方式建立了一套仿叶栅通道实验模型,得到了无流动控制时通道内稳态及动态压力特性,在设计状态下通道内分离涡主频为266 Hz.对该分离流场进行了脉冲射流控制通道内气流分离的实验研究,实验测量了频率从60 Hz到600Hz的微脉冲射流对分离流的控制效果.实验结果表明:从通道总压损失减小的效果来看,当脉冲射流频率接近分离涡主频时控制效果最为明显.此时通道内占主导地位的分离涡的周期性特性得到了明显的改善,其他频率的旋涡对流场的影响程度在脉冲射流的作用下被削弱,流场结构较无控、定常射流控制及其他脉冲射流频率状态更为有序.     

一种利用分离区自身能量控制分离的方法

本文用实验方法探讨了非定常扰动对前台阶湍流分离的影响。研究表明采用钢丝为非定常扰源,则不用外加机械能就可达到控制分离的目的。该方法可行的关键在于将钢丝置于分离点后的一个邻域内,在该邻域所特有的自然非稳定涡结构的作用下,钢丝会产生共振,这种共振效应使下泻涡得以强化并形成大尺度的凝聚结构,进而给分离包的低能区补充了能量,使分离包大大缩短。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

Review of flow control mechanisms of leading-edge vortices

Vortex control concepts employed for slender and nonslender delta wings were reviewed. Important aspects of flow control include flow separation, vortex formation, flow reattachment, vortex breakdown, and vortex instabilities. The occurrence and relative importance of these phenomena strongly depend on the wing sweep angle. Various flow control methods were discussed: multiple vortices, control surfaces, blowing and suction, low-frequency and high-frequency excitation, feedback control, passive control with wing flexibility, and plasma actuators. For slender delta wings, control of vortex breakdown is achieved by modifications to swirl level and external pressure gradient acting on the vortex core. Effects of flow control methods on these two parameters were discussed, and their effectiveness was compared whenever possible. With the high-frequency excitation of the separated shear layer, reattachment and lift enhancement in the post-stall region is observed, which is orders of magnitude more effective than steady blowing. This effect is more pronounced for nonslender wings. Re-formation of vortices is possible with sufficient amplitude of forcing at the optimum frequency. Passive lift enhancement on flexible wings is due to the self-excited wing vibrations, which occur when the frequency of wing vibrations is close to the frequency of the shear layer instabilities, and promote flow reattachment.     

Separation control on NACA23012 using synthetic jet

A numerical study of separation control has been made to investigate aerodynamic characteristics of NACA23012 airfoil with synthetic jets. Computed results demonstrated that stall characteristics and control surface performance could be substantially improved by resizing separation vortices. The maximum lift was obtained when the separation point coincides with the synthetic jet location and the non-dimensional frequency is about 1. In addition, separation control effect was proportional to the peak velocity of the synthetic jet. It was observed that the actual flow control mechanism and flow structure is fundamentally different depending on the range of synthetic jet frequency. For low frequency range, small vortices due to synthetic jet penetrated to the large leading edge separation vortex, and as a result, the size of the leading edge vortex was remarkably reduced. For high frequency range, however, small vortex did not grow up enough to penetrate into the leading edge separation vortex. Instead, synthetic jet firmly attached the local flow and influenced the circulation of the virtual airfoil shape which is the combined shape of the main airfoil with the separation vortex. As a way to reduce the jet peak velocity, performance of a multi-array synthetic jet was investigated. Moreover, a high frequency multi-location synthetic jet was exploited to efficiently eliminate the unstable flow structure which was observed in low frequency range. Finally, by changing the phase angle in multi-location synthetic jets, highly controlled flow characteristics could be obtained with multi-array/multi-location synthetic jets. This shows efficiency of the current approach in separation control using synthetic jet.     

三维扩压叶栅非定常流动机理研究的频谱分析

计算了三维直叶栅在不同攻角、不同马赫数下的流动情况,得到流场的非定常解,并进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。分析计算结果表明:在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性。分离区和尾迹中的流动,以旋涡的有规律周期性脱落为主要的运动形式。旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化:同马赫数下,攻角越大,频率越低;同攻角下,马赫数越高,频率越高。同时,在同一工况下,旋涡频率沿叶高呈非均匀分布,叶中区域频率相对低,靠近端壁区频率相对高。      

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。