影响振荡射流分离控制效果的关键因素

为找出影响振荡射流对流场分离控制效果的关键因素,采用典型振荡射流激励器对偏转襟翼流场施加控制,通过数值模拟分析施加控制后的流场特点,总结了射流停滞的原因和影响;并对比不同扩张段、脉冲式和扫掠式振荡射流的控制效果,总结了射流扫掠范围对控制效果的影响。结果表明：射流向流场中传递动量的均匀程度和扫掠范围是影响控制效果的关键因素。射流向流场中传递动量越均匀,扫掠范围越大,则控制效果越好。激励器喉道过小会抑制射流偏转,使射流在出口两侧停滞,导致射流向流场中传递动量不均匀,因此偏转襟翼两侧的控制效果好于中部;增大扩张段会增大射流扫掠范围从而改善控制效果;脉冲式激励器内的尖劈会阻挡射流扫掠至其后方,导致射流扫掠范围小,偏转襟翼中部控制效果差。     

零净质量射流的数值模拟

对零净质量射流致动器的流场和有零净质量射流时翼型的绕流流场进行了数值模拟,分析了动网格与几何守恒率、边界条件、湍流模型对零净质量射流致动器流场计算的影响,分析了零净质量射流的速度幅值和驱动频率对翼型增升效果的影响.研究结果表明,在复杂计算中可以对能动部件的边界作赋值处理;随着射流速度幅值的增加,翼型的平均升力系数和阻力系数都要增加;射流频率对升力的影响呈非线性.     

非对称腔体合成双射流矢量特性数值研究

利用合成射流全流场计算X-L模型,对非对称腔体合成双射流激励器的射流矢量特性进行了数值模拟,分析了激励器不同腔体体积比、不同振动膜速度、不同频率下的合成双射流流场。研究结果表明,当激励器两腔体不对称时,所形成的合成双射流不再垂直向下游流动,而是会发生偏转,即射流具有矢量特性,偏转角度的大小可以通过激励器工作条件进行调节。其机理是振动膜对大小不同的两腔体的相对压缩量不同,使得两出口处所形成射流的能量和低压区不再对称,因此导致合成双射流向低能量(大腔体)一侧偏转。振动膜振幅和频率的提高对低压区大小分别起到增加和减弱的作用,所以偏转角度又随着振动膜最大速度的增加而增大,随工作频率的增加而减小。     

相邻激励器合成射流流场数值模拟及机理研究

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道、外部流场作为单连域计算处理的吹／吸型边界模型。在此基础上,对不同相位差、不同振幅、不同频率的相邻激励器相互作用形成的合成射流流场进行了数值分析。计算结果表明：相邻激励器工作时的相位差、振幅不同、驱动频率不同对其形成的合成射流流场有很大影响,合成射流不再对称分布,流动将发生偏转。其机理是由于两激励器吸入和排出流体流动不同(不同相、不同幅值、不同频率),使得两列旋涡对不对称,因此在两列旋涡对之间存在涡量强度不同和压强梯度,从而引起旋涡对向低压侧和强涡量区偏转。     

基于离散协同射流的翼型增升减阻方法

协同射流是一种近壁面流动的高效、低能耗主动控制技术。重点开展了一种应用离散协同射流的二维翼型增升减阻效应的数值模拟研究,分析了离散协同射流的堵塞度和喷口密集度等关键参数对流场结构、气动特性、功率消耗及能量利用率的影响效应与作用规律。在施加离散协同射流措施后,能够使翼型近壁面空间流场更有效地产生较强的相干涡结构,使得射流与主流及边界层充分混合,可显著提高同等迎角下的升力系数、明显减小阻力系数,最大升力系数提高近150%,失速攻角推迟约5°。研究表明:离散协同射流是一种显著提高翼型性能的高效流动控制方法。     

自耦合射流对平行主射流的矢量偏转实验研究

为研究自耦合射流与主射流空间布局对主流矢量偏转的影响,采用了二者平行布局的方式,利用压电陶瓷单缝自耦合射流作动器出口两侧的低压区的卷吸作用,使主射流发生了显著的矢量偏转。实验表明,主射流的偏转角与自耦合射流和主射流之间的间距d,高差s等参数有关。在实验条件下,自耦合射流使约5·4m/s流速的主射流产生了最大45°的矢量偏转。     

带有偏转扰流片翼型非稳定流场的分析研究

对带有可偏转的襟翼式扰流片的二维翼型所产生的流场进行了试验研究。通过亚音速试验确定了在两种雷诺数条件下改变扰流片的偏转角和迎角对流场所产生的影响。对平均表面压力和脉动表面压力以及尾流速度进行了测量，并且对尾流进行了纹影流动显形。给出了与扰流片流场非稳定特性有关的结果。研究表明，旋涡脱落是扰流片尾流的主要特征，它决定着整个流场的非稳定特性；旋涡脱落的特点与扰流片的偏转角有关；当扰流片偏转角较大时，脉动表面压力场(旋涡脱落频率分量)也较大。     

双微射流作动器定向控制主流数值模拟

采用改进的Beam-Warming近似因式分解法求解二维、粘性、非定常、可压全N-S方程,对双微射流作动器定向控制主流的合成流场进行数值模拟。计算结果揭示了主流在双微射流作用下会比在单微射流作用下产生更大的偏转,并探讨了其产生偏转的原因。分析了主流的偏转程度与相邻作动器相位差之间的关系,即相邻作动器之间的相位差必须在一定的范围内,主流才能发生更大的偏转。     

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。     

脉冲能量沉积对超声速射流/激波相互作用掺混的控制研究

为探究超声速射流掺混增强的有效控制方法,基于二维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了脉冲能量沉积对超声速射流与斜激波相互作用后增强掺混的控制机理和规律。宽度为5 mm的低密度平面射流同向完全膨胀射入马赫数为2.5的主流中,并与20°压缩斜面所产生的斜激波相互作用。在流场中引入脉冲能量沉积对射流掺混进行控制,并考虑射流马赫数、射流长度、能量沉积位置及激励频率对掺混效果的影响。对比激励流场与基础流场,结果表明:脉冲能量沉积的加入诱导射流形成大尺度涡结构,显著提高射流的掺混效果;能量沉积位置对于不同马赫数射流的掺混增强具有不同的控制效果;激励前后射流宽度的对比表明,脉冲能量沉积的无量纲激励频率在0.22附近时,可使得射流的掺混效果最佳。     

Grid-Adaptive Computations of Magnetized Jets

We present grid-adaptive numerical simulations of magnetized plasma jets, modeled by means of the compressible magnetohydrodynamic equations. The Adaptive Mesh Refinement strategy makes it possible to investigate long-term jet dynamics where both large-scale and small-scale effects are at play. We extend recent findings for uniformly magnetized, periodic shear layers to planar and fully 3D extended jet segments. The jet lengths cover multiple, typically 10, axial wavelengths of the fastest growing Kelvin–Helmholtz (KH) like modes. The dominant linear MHD instabilities of the jet flows are quantified by means of MHD spectroscopic analysis. In cases characterized by sonic Mach numbers about unity and large plasma beta values, both single and double shear layers (planar jets) manifest self-organizing trends to large scales, e.g. by continuous pairing/merging between co-rotating vortices, simultaneously with the introduction of small-scale features by magnetic reconnection events. The vortices form as a result of KH unstable shear-flow layers, and their coalescence arises from the growth of subharmonic modes at multiple wavelengths of the fastest growing KH instability. In extended two-dimensional jet segments, we investigate how varying jet width alters this coalescence process occurring at both edges, e.g. by introducing Batchelor-like coupling between counter-rotating vortices formed at opposing weakly magnetized, close shear layers. Finally, periodic segments of supersonic magnetized jets are simulated in two- and three-dimensional cases, which are characterized by violent shock-dominated transients.     

Gaseous plume flows in space propulsion

This paper presents a gaskinetic study on high-speed, highly rarefied jets expanding into a vacuum from a cluster of planar or annular exits. Based on the corresponding exact expressions for a planar or annular jet, it is convenient to derive the combined multiple jet flowfield solutions of density and velocity components. For the combined temperature and pressure solutions, extra attention is needed. Several direct simulation Monte Carlo simulation results are provided to validate these analytical solutions. The analytical and numerical solutions are essentially identical for these high Knudsen number jet flows.     

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

合成射流激励器实现共轴射流掺混控制

对多排列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟。结果表明,激励器的采用可以增强共轴射流的掺混效果;相邻合成射流产生涡对在孔口处经过相互耦合,形成了更强的旋涡对,并以一种新生合成射流作用周围流场;两排激励器较单排激励器相比,前者控制掺混能力更强,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故。     

合成射流激励器阵列对共轴射流掺混的影响

分别对单列和多列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟,通过对其温度场分布和掺混过程进行分析,探讨激励器阵列进行掺混控制的机理.在研究过程中,考虑了相邻合成射流的影响.结果表明,激励器的采用使得整个流场的非定常性增强、湍流度增大,从而增强了共轴射流及其与周围流体间的掺混;两列激励器较单列激励器相比,前者具有更强的控制能力,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故.      

射流对压气机叶栅分离流控制的数值研究

现代先进轴流压气机级负荷不断提高的发展趋势导致流动分离日益严重.借助数值模拟分别对非定常射流和定常射流进行了参数优化研究.结果表明:基于射流的主动流动控制能有效弱化或消除流动分离,不同射流方式存在不同的最优射流参数(射流方向、位置、速度和频率等),这就为利用射流控制轴流压气机分离流动的工程应用奠定了一定的理论基础.     

射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热数值研究

通过三维数值模拟的方法研究了射流孔交错偏置排布下的楔形凹表面对流换热,在射流孔偏置间距比（L/d）为0~2.5、射流孔距凹腔前缘间距比（H/d）为6~12、射流冲击雷诺数（Re）为10000~28000的研究参数下,研究结果表明射流孔交错偏置排布在凹腔中诱导复杂的涡流,对应于射流冲击驻点区的局部表面传热系数得到增强;相对于直线排布的射流孔,小射流孔交错偏距比能够使得凹腔前缘附近沿弦向的展向平均努塞尔数相对射流孔直线排布方式有所改善,随着射流孔交错偏距比增加,沿弦向的展向平均努塞尔数最大值所对应的弦向位置逐渐向凹腔前缘下游迁移.为了在保持凹腔前缘对流换热能力不受到显著削弱的前提下,改善凹腔前缘附近的射流冲击对流换热能力,射流孔交错偏距比宜选择在1倍射流孔直径左右.      

静止圆柱尾迹的稳定性分析

采用二维非平行流的整体线性不稳定性分析和基于局部平行假设的绝对／对流不稳定性分析两种方法研究静止圆柱尾迹的稳定性，基本流场由相同的低维Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法计算得到。结果证实，随着Ｒｅ数的增加直至Ｋａｒｍａｎ涡街形成，先后发生了两次整体模太的跳跃和一次Ｈｏｐｒ分叉，并首次用绝对／对流不稳定性理论解释了这一现象。     

带有横喷控制的导弹流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发，考虑两方程湍流模型，采用NND2M差分格式，对带有横向喷流的双锥旋称体高超声速绕流场进行数值模拟，计算结果与已有的试验数据进行对比，符合较好。在此基础上对带有横向喷流控制系统、型尾翼布局、高超声速飞行的导弹外流场进行数值模拟，研究了迎角、多个喷口、热喷流效应和湍流模型对气动力特性的影响；计算表明在无尾翼情况下有／喷流的气动力差别较小，喷流影响随迎角变化不敏感；对带有尾翼的气动布局，喷口位于背风区时喷流影响较小，喷口位于迎风面时气动力变化较大，压心明显前移；多喷口产生的附加推力和力矩不等于每个单喷口线性相加；湍流模型和热喷流效应引起流场结构改变，但是对总的气动力影响不大。     

自耦合射流激励同向气流掺混的数值研究

针对同向两股气流掺混的某一特定物理模型,对自耦合射流作用下的气流掺混过程进行了数值模拟研究以揭示激励参数对于同向两股气流掺混的影响.与未施加自耦合射流激励的掺混过程相比,自耦合射流周期性的吹/吸诱导流场内产生复杂的大尺度涡系结构,使得同向两股气流形成对流型混合,有效缩减了主流核心区长度;随着自耦合激励器驱动频率和驱动振幅的增大,自耦合射流出口附近的涡强度增强,同向两股气流掺混效果得到有效改善.