应用PIV技术测量压电型自耦合射流

 采用PIV对激励信号频率为300 Hz、 400 Hz和500 Hz的矩型出口自耦合射流流场进行测量，应用相位锁定技术，测得一个激励周期内12个相位的瞬时流场，并由120张瞬时流场图像的平均得到了射流流场时均流动特性。分析了3种频率下的流场结构，发现在当前实验条件下，射流的扩张半角近35°，稳定增长区的中心线速度随流向距离的-0.511次方变化。当频率为f=400 Hz时流量增长率高达4，动量增长率最高达4.5。当沿流向距离y/h>40后自耦合射流的动量呈下降趋势，这与定常二维平面射流动量保持不变的规律不同。     

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。     

高温环境辅助进气合成射流的激励器性能

对高温环境下活塞式合成射流激励器的流场进行了数值模拟和试验研究,对比了激励器工作频率和射流孔直径,对常规、辅助进气激励器性能的影响。结果表明:在高温环境下,相对于常规进气,辅助进气可以显著地提高激励器性能,激励器吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量提高的同时,激励器出口截面射流峰值速度略有下降。辅助进气装置的效能最大区域为高工作频率或者小射流孔直径。相对于常规激励器,辅助进气激励器的吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量的增加幅度最大,分别增加了常规激励器的23073%、10397%和10737%(工作频率为250 Hz,射流孔直径为2 mm)。     

辅助进气激励器强化喷流混合的数值模拟

对采用高动量的辅助进气激励器和“常规”激励器强化的高速、大尺度喷流混合进行了数值模拟研究。对比了辅助进气激励器和“常规”激励器吹气射流对流向涡、喷流拍动、阻塞面积的影响,分析了合成射流强化喷流混合的流动滞后现象。结果表明:合成射流强化喷流混合中的辅助进气激励器在吹气时间、吹气动量、峰值动量比方面要明显优于“常规”激励器。合成射流强化喷流混合由激励器迟滞和流场迟滞两部分组成。“常规”激励器和辅助进气激励器射流峰值动量都滞后于活塞峰值速度时刻19.5%，流场滞后峰值动量时刻5%左右。相比于“常规”激励器,采用辅助进气激励器的“小突片”堵塞面积较大,强化喷流混合的效果更好。      

自耦合射流流动特性的PIV实验研究

采用三维粒子图像测速仪(PIV)对具有相同出口面积的圆孔喷口和狭缝喷口自耦合射流激发器外部流场特征进行了实验研究.结果表明:狭缝喷口自耦合射流与圆孔喷口自耦合射流的形成过程相同,都经历了涡环产生、发展、破碎融合的周期性过程,在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流.时均流场分布表明狭缝喷口自耦合射流的流场型面较宽,扩展角度较大.狭缝短轴方向和圆孔水平方向上自耦合射流的时均速度曲线呈现规则的对称分布和速度自模的特征,而狭缝长轴方向自耦合射流在靠近喷口处的速度分布呈现马鞍状,这一特征随着法向距离增大而逐渐消失.      

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。     

横向气流中的液体圆形射流破碎实验

采用了高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流破碎过程进行了研究.实验中使用的喷嘴喷孔直径为0.3 mm,研究液体工质采用水,液气两相动量通量比的范围为10.2～80.结果表明,射流表面初始波动是蛇形波动,在气动力作用下逐渐发展成螺旋状表面波,最终增长到一定程度使得液体断开.随着气流速度的增加,气动力在射流破碎过程中将取代表面张力而占据主导地位,而且螺旋状表面波幅值会随气流速度增加而增加.射流运动轨迹脉动幅度随气流速度增加而增强,随射流速度增加而减弱.同时给出了射流破碎位置坐标与液气两相动量通量比之间的关系式,以及射流液柱在破碎点之前类似抛物线的轨迹曲线公式.      

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律。运用相位多普勒粒子测速（PDPA）技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析。研究表明：环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽。     

合成双射流控制翼型分离流动的数值研究

合成双射流激励器是合成射流技术发展的最新成果,所形成的射流具有更高能量、流动更稳定的特点。采用数值模拟的方法,对比研究了合成射流与合成双射流对翼型分离流动的改善效果。结果表明:合成射流可以将翼型失速攻角提高2°、最大升力系数增加18%,合成双射流可以将翼型失速攻角提高4°、最大升力系数增加35%,证明了合成双射流具有更好的分离流动控制效果。另外着重分析了合成双射流工作频率和动量系数对控制效果的影响,发现当激励器工作频率为流场特征频率的1和2倍时,对翼型气动特性的改善效果最好,同时控制效果会随动量系数的增加而增大。     

涡流发生器控制下横向射流穿透特性及优化

在喷孔上游放置涡流发生器(VG),采用纳米粒子平面激光散射系统(NPLS)和粒子图像测速(PIV)技术对5种构型的VG诱导横向射流的流场进行了观测,提取其穿透深度并进行对比,结果表明在喷孔上游放置VG使射流穿透深度提高了30%~60%.对VG构型的几何参数、射流/来流动压比及VG流向位置等变量进行敏感性分析,表明射流/来流动压比对射流穿透深度的促进作用最大.根据目标函数进行了优化设计,表明当VG半锥角为36°、坡度为6°、VG尾缘与喷孔中心无量纲距离为38.8、射流/来流动压比为10.6时,无量纲穿透深度存在最优值12.68.      

超声速气流中横向气体射流混合经验模型

为了获得适用于工程估算的射流穿透经验关系式,对射流中心迹线、穿透边界及喷注物展向分布特性进行模化处理,建立了描述超声速气流中横向气体射流混合经验模型,并通过系列实验观测结果对该模型有效性进行验证.结果表明:在较宽的动量比范围内(动量比为0.5~5.3),该模型预测的射流中心迹线和穿透边界均与实验图像吻合较好,在射流中心迹线附近,该模型预测的喷注物摩尔分数与实验测量值相比误差在5%以内,精度优于现有模型.随着动量比的增大,在喷孔下游一定区域内,射流引起的反转旋涡对增强,导致该模型对展向摩尔分数分布的预估产生一定误差,表明该模型的适用范围与动量比和下游距离等因素相关.      

不同出口型与驱动频率的活塞型自耦合射流研究

采用PIV对驱动频率为10, 20, 30 Hz的活塞式自耦合射流作动器流场进行测量, 应用相位锁定技术, 测得了一个周期内72个相位的瞬时流场.对3种频率下的自耦合射流的变化规律的分析, 发现当前实验条件下, 在几何尺寸不变时, 随着频率的增加, 冲程长度L0与平均出口速度U0迅速上升;当频率不变时, 随着出口孔长宽比AR的增加, 冲程长度L0于平均出口速度U0呈下降趋势;而随着孔板厚度d的增加, 冲程长度L0却随之下降.通过5个周期360张瞬时流场图的平均得到了自耦合射流的时均流场, 数据分析表明, 自耦合射流方向性很好, 其沿流方向速度剖面具有自模化特征.相对于定常二维平面射流, 其稳定发展段中心线上沿流向方向速度衰减较快.      

横向气流中液体射流袋式破碎机理

采用高速摄像仪对横向气流场中的液体圆形射流袋式破碎过程进行了实验研究。实验所用喷嘴孔径为1.0mm,实验工质采用水。Wea范围覆盖11～23,液/气动量通量比q覆盖11～95。实验中观察了袋的形成及破碎过程。实验发现,袋的触发长度lonset/d与无量纲数In(q/Re)存在线性关系,而袋的触发时间则为常数;对袋式结构的进一步研究得出袋的破碎长度与液体射流速度无关,只与We数有关,且成线性关系,即破碎长度随着We数的增加线性减小。最后还给出了核心射流破碎位置与液/气动量通量比q的关系,无量纲化破碎位置横坐标为常数,而无量化破碎位置纵坐标随着In(q)线性增加。以上结果可以指导实际设计合理安排袋的触发、破碎点位置,改善雾化性能;在数值模拟上能帮助构建精确的初始雾化模型,提高模拟精度。     

合成射流流动特性实验研究及在燃烧中的应用探讨

应用热线风速仪对合成射流激励器出口流场进行了较详细测量。实验结果表明,激励器流场可划分为2个不同的区域。在距离激励器出口10～15倍出口缝宽之前,流动具有强烈的非定常性;在此位置下游,流动特性与常规射流相似。在流向中心线上,随着向下游距离的增加,时均速度呈先增后降的趋势,湍流度则单调递减。当激励电压有效值40V、激励频率980Hz时,时均速度在15倍缝宽处达到最大,约14.2m/s,激励器出口附近湍流度近80%。在展向上,时均速度、湍流度均剧烈改变,梯度变化明显高于常规喷流。适当参数的合成射流激励可以改善扩散燃烧器出口温度分布、降低NO_x生成量。      

双圆形出口零质量射流组的流场结构PIV实验研究

对不同出口间距零质量射流组的流场结构进行了PIV实验.采用相位锁定技术测量了周期内不同相位的瞬时流场速度矢量, 显示了两股射流涡对之间相互作用、融合成为一股射流的全过程.发现射流出口间距越大, 射流组融合完成所需的时间、空间历程越长.在射流组融合完成后的下游截面上, 速度分布和单射流相似, 具有自模性.虽然融合未完成前各截面不存在整体自模性, 但两股射流外侧仍满足自模性.      

激励强度对等离子体合成射流的影响

通过在Navier-Stokes方程组中添加体积力源项的方法,模拟了不同激励强度下等离子体合成射流,并研究了激励强度对流场特性的影响。计算结果表明,随着激励强度的增大,激励器附近壁面处的涡量增大,对应的涡对中心诱导的流向速度增大,从而导致涡核更加远离壁面,并被拉伸变长。对于等离子体合成射流的时均流场,其中轴线上的流向速度随着激励强度增大整体变大。在较小的激励强度下,射流半宽度随着激励强度的增大而增大;而激励强度很大时(>6 Dc0),激励强度对半宽度基本没有影响。沿流向的动量通量也随激励强度的增大单调增加。     

Lumped element modelling of synthetic jet actuators

In this paper, a lumped element model of synthetic jet actuator is presented and used to predict the temporal variation of the jet velocity. Unlike the previous model reported in the literature, in this model the mechanical movement of the diaphragm is decoupled from the fluid phenomenon in the actuator cavity to allow the modelling of fluid mechanics aspect of the actuator to be investigated and validated separately. Furthermore, the “minor losses” occurring at the orifice exit is included and linked to the jet exit velocity profile. The results from this model are validated using the existing experimental data and CFD simulations. It is found that this model is capable of predicting the temporal variation of synthetic jets both in phase and magnitude when the actuator is operating away from the Helmholtz resonance frequency. Although the model fails to predict the correct phase information at the Helmholtz resonance frequency, it can still produce the jet peak velocity that is in good agreement with the experimental data. The lumped element model presented in this paper can be used to provide a reliable prediction of the jet peak velocity needed in the initial design of synthetic jet actuators for practical applications.     

微射流作动器出囗流场数值分析

本文简要介绍了微射流作动器的工作原理及结构形状 ,应用涡量 流函数法对二维、粘性、非定常、不可压微射流流场进行了数值分析。针对微射流形成的特点 ,构造了一种微射流作动器出囗处周期性变化的吸 /排气速度边界条件。计算结果与已有的实验和理论分析结果进行了比较 ,证明了该方法的可行性。数值分析结果表明虽然微射流的净质量流率为零 ,但其动量流率却不为零 ;由于微射流作动器出口处速度的交替变化 ,在紧贴出囗处产生了旋涡对并向下游迁移形成微射流