涡流发生器在二元亚音扩压器角落流动控制中的应用

本文介绍了在最佳扩压规律的二元单边凹壁亚音扩压壁面上气流接近于分离,而角落区域气流有倒流的情况下,采用适当结构参数的叶片式涡流发生器消除角落区域气流分离和改善扩压壁面流动以达到提高扩压器压力恢复系数,减小出口截面流场畸变和动态总压脉动的试验研究结果.文章分析了叶片式涡流发生器主要结构参数对扩压器性能的影响.     

埋入式涡流发生器在亚音扩压器分离流控制中的应用

本文介绍了在一个大宽高比大扩压角二元亚音扩压器中采用适当几何参数的凹型面埋入式涡流发生器有效地控制扩压壁和角落区域分离流的试验结果。并分析了该型式涡流发生器主要几何参数对扩压器性能的影响。还对该型式涡流发生器与常规翼型式涡流发生器进行了比较。      

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

涡流发生器在压气机中介机匣上的应用

本文介绍了涡流发生器技术在航空发动机压气机中介机匣上的应用研究。合理地选择涡流发生器叶片参数,对消除或减小中介机匣流道分离,提高总压恢复都是可行的。h/H=0.14,l/h=2.4的一组涡流发生器不仅可以消除流体分离,还可减少流阻系数44％,从而可以改善出口流场品质,提高发动机性能。     

叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

S形进气道流动控制数值模拟研究

现代高性能作战飞机大多采用S形进气道,由于S形进气道内部曲率较大,边界层容易分离,因而降低了发动机的性能,尤其是其出口处的旋流畸变较大,导致发动机更容易发生喘振。针对某S形进气道中流动分离较大的问题,采用给其内表面加装涡流发生器的方法,以减小进气道出口旋流畸变。通过数值模拟和性能计算可以发现,加装涡流发生器后进气道流动分离和旋流畸变大幅度减弱。     

叶片通道内涡流发生器变工况适应性

横向二次流是制约叶轮机气动负荷进一步提升的主要因素。在叶片通道内施加涡流发生器有抑制通道横向二次流的潜力，但涡流发生器的最优施加方案很难确定。基于涡流发生器经验统计模型(BAYC模型)和响应面方法建立了一种端壁涡流发生器的高效设计方法。基于这一方法，实施于NACA 65直列叶栅，得到了三种涡流发生器优化方案，并在设计工况下和非设计工况下讨论了涡流发生器对端壁横向二次流的控制机理，发现具有更大的涡流发生器高度和更多的涡流发生器数量的方案在面对大攻角下的强横向二次流情况时能够有更强的余力对横向二次流加以控制，大大扩展了叶栅的攻角适用范围。      

基于微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混机理

为了改善高超声速飞行器前体压缩面边界层速度型的饱满程度，降低进气道壁面流动分离的潜在风险，提出了基于阵列微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混方法。采用数值模拟方法研究了涡流发生器在来流马赫数7状态下的流动特性，揭示了主要流动控制机理，并分析了安装角对掺混效果的影响规律。研究结果表明：微型叶片式涡流发生器可对近壁气流产生一定扰动，形成局部大侧滑角、低压区域，掺混的主要机理在于叶片两侧分别形成扫掠激波、膨胀波，诱导近壁流体向叶片方向偏转，形成局部横向迁移，进而与主流产生掺混效应；负安装角的涡流发生器的扰动能力最强，但总压损失也最大；正安装角时涡流发生器的扰动能力随安装角的增大而增大；相比于无控制状态，所有叶片式涡流发生器均可降低边界层形状因子，安装角15°时的边界层形状因子最小，边界层速度型最为饱满，说明该状态下壁面流动具有较优的抗逆压分离能力。     

大宽高比大S弯扩压器流动特性和流动控制

对大宽高比大S弯亚音扩压器的流动进行了试验研究,通过流谱观察、壁面静压分布曲线、截面总压分布图和出口截面旋流场分析其流动特性.此外,试验表明在分离点前安装适当结构参数的埋入附面层涡流发生器能够大大缩小分离区的范围,从而使其性能得到改善.     

涡流发生器控制亚音速扩压器中分离流

 本文对涡流发生器在二元亚音扩压器分离流控制中的应用作了进一步的试验研究。通过精心地选择涡流发生器的结构参数,排列型式和安装位置、有效地控制了处于大瞬变失速流动状态的二元亚音扩压器内的流动分离,从而大大改善了扩压器的稳、动态性能。     

非稳态单喷口射流控制扩压器内边界层的分离流动

对扩压器内单喷口射流产生的流向涡控制扩压器内部边界层分离流动行为进行了研究。研究的对象是一个扩张角为10°的二维扩压器,扩压器进出口面积比为1∶4.7,入口高度为15 mm。采用数值计算方法研究了当射流出口速度为非稳态时对分离流动的影响。给出了不同时刻,不同截面上的旋涡涡量分布。结果表明,采用非稳态喷射流向涡方法可以在不改变主流流量特性的情况下,有效地减小分离流动区域。     

扩压器流场分离的涡控技术研究

 大扩张角扩压器流场分离将严重影响扩压器性能和出口流场分布的均匀性。研究采用涡控技术抑制扩压流场的分离,其涡控方案是在扩压壁面设计“涡穴”,在气流流动时产生旋涡,“涡穴”内的旋涡与扩压流场相互作用,改变了扩压流场中的速度分布,增加了附面层内的动量,从而抑制了分离的形成。研究了“涡穴”几何尺寸对抑制效果的影响。试验证明:在合适的“涡穴”设计下,“涡穴”旋涡具有明显的抑制分离的作用,并以流场参数的测定分析了涡控机理。     

亚声速进气道出口流场畸变控制研究

一种亚声速进气道出口流场存在较严重的总压畸变,为改善其出口流场品质,抑制总压畸变,首先分析了引起总压畸变的原因,即进气道扩张段内边界层发生分离;其次提出了在进气道内安装叶片式涡流发生器的流动控制方法,并进行了仿真验证;最后进行了进气道缩比模型的风洞试验。试验结果表明,在进气道设计马赫数(0.65)和非设计马赫数(0.21)条件下,安装叶片式涡流发生器后,在流量系数0.4～0.85范围内,进气道出口流场的综合畸变指数分别平均降低14.7%和23.8%,因此验证了流动控制方法的有效性。     

涡发生器控制平板边界层分离的大涡模拟

为了研究涡发生器(VGs)间距λ对控制边界层分离效果的影响,选取了4种涡发生器间距,λ/H(H为涡发生器高度)分别为5,7,9,11.采用大涡模拟(LES)方法对带逆压梯度的平板边界层分离流动及VGs控制分离流动进行了数值模拟.分析了有无VGs控制时,湍流场中大尺度相干结构及其演化规律,分别从旋涡间距、边界层内流体动能、压差损失等方面考察了VGs间距对控制流动分离效果的影响.研究结果表明当λ/H为5时,VGs间距过小抑制了旋涡的展向发展,λ/H为9,11时,VGs间距过大边界层内流体动能偏低,当间距λ/H为7时流动控制效果更优,此时计算域压差损失最小,相比较无VGs控制时,压差损失降低了30.95%.      

三角形埋入式涡流发生器几何参数对其涡的影响

试验研究了三角形埋入式涡流发生器几何参数对其涡各参数的影响，发展了半片式三角形埋入式涡流发生器。试验中采用小型五孔探针获得涡流发生器后不同轴向截面处的速度矢量图，用高斯涡核模型及非线性拟牛顿最小二乘法拟合涡量、涡核半径、涡心高度等参数，分析了这些参数沿程变化趋势。     

Review of research on low-profile vortex generators to control boundary-layer separation

An in-depth review of boundary-layer flow-separation control by a passive method using low-profile vortex generators is presented. The generators are defined as those with a device height between 10% and 50% of the boundary-layer thickness. Key results are presented for several research efforts, all of which were performed within the past decade and a half where the majority of these works emphasize experimentation with some recent efforts on numerical simulations. Topics of discussion consist of both basic fluid dynamics and applied aerodynamics research. The fluid dynamics research includes comparative studies on separation control effectiveness as well as device-induced vortex characterization and correlation. The comparative studies cover the controlling of low-speed separated flows in adverse pressure gradient and supersonic shock-induced separation. The aerodynamics research includes several applications for aircraft performance enhancement and covers a wide range of speeds. Significant performance improvements are achieved through increased lift and/or reduced drag for various airfoils—low-Reynolds number, high-lift, and transonic—as well as highly swept wings. Performance enhancements for non-airfoil applications include aircraft interior noise reduction, inlet flow distortion alleviation inside compact ducts, and a more efficient overwing fairing. The low-profile vortex generators are best for being applied to applications where flow-separation locations are relatively fixed and the generators can be placed reasonably close upstream of the separation. Using the approach of minimal near-wall protuberances through substantially reduced device height, these devices can produce streamwise vortices just strong enough to overcome the separation without unnecessarily persisting within the boundary layer once the flow-control objective is achieved. Practical advantages of low-profile vortex generators, such as their inherent simplicity and low device drag, are demonstrated to be critically important for many applications as well.