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。     

非对称出口合成双射流激励器矢量特性实验研究

合成双射流(DSJ)激励器由于自身具有独特的矢量控制特性,为合成射流技术应用于主动流动控制提供了新途径。采用了基于射流核心区速度矢量的评价方法,并通过纹影和粒子图像测速法(PIV)流场显示实验研究了非对称出口压电式合成双射流激励器驱动参数(电压和频率)对射流矢量特性的影响。结果表明:合成双射流向出口面积大的一侧偏转,矢量偏转角随电压变化呈现先增大后减小的趋势,存在一个最佳驱动电压幅值,使得矢量偏转角最大;驱动频率变化对矢量偏转角的影响较显著,其对射流矢量的控制机理较复杂,实现矢量偏转角1.53°~36.65°可调,矢量偏转角出现两个峰值,且在振动膜共振频率处,矢量偏转角最小。     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术（PIV）,测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构。结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流。新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体＂微泵＂工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的＂定向输运＂,其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制。     

合成射流激励器对射流矢量的影响

合成射流激励器全流场计算模型—X L模型,实现了将激励器腔体及外部受控流场作为单连域的计算处理。对合成射流激励器在不同工作状态下控制宏观低速流流动进行了数值分析和机理探讨。结果显示:应用合成射流激励器可以有效控制宏观低速流流动方向,通过改变激励器的工作参数和布置位置可以控制主流的偏转角度;激励器处于"拉"模式对主流的控制效果更明显,且激励器与受控主流之间存在一个最佳距离,使得对主流的矢量控制效果最大;合成激励器工作形成的漩涡对强度受合成射流频率和速度幅值影响。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。     

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。     

合成射流低速射流矢量偏转控制的PIV实验研究

通过在二元矩形射流风洞出口两侧布置斜置扩张的斜出口合成射流激励器,并调整到合适的扩张角,在主射流未形成Coanda效应的前提下,利用合成射流非定常扰动来"激发"诱导主射流剪切层,使主射流发生矢量偏转。结合PIV测试技术,对合成射流在不同电压和频率参数下控制低速主射流的时均流场进行了测试。结果表明仅需改变激励器的电压和频率电参数,就可实现对主射流矢量偏转的主动控制。随电压的逐渐增加,可实现对主射流的比例偏转控制。频率变化对主射流矢量偏转角的影响较显著,在共振频率下可以获得最大的矢量偏转角。通过控制两侧激励器的"开—关"控制,可以实现对主射流矢量偏转的切换控制,PIV瞬态流场测试结果表明该切换过程是连续可控的。     

合成双射流及其流动控制技术研究进展

主动流动控制技术一直以来都是流体力学研究的前沿和热点。针对传统合成射流流动控制环境适应性差和能量效率不高的问题,发展了合成双射流及其流动控制技术。本文对其主要研究进展进行了综述。研究提出了基于能量综合利用和气体增压原理的合成射流激励器设计基本思想,发明了合成双射流、矢量合成双射流、合成双射流基连续射流、合成热/冷射流、自持式合成双射流等系列化新型合成射流激励器。合成双射流激励器解决了压载失效带来的环境适应性问题,且具有能量效率、可控频率倍增特性以及特有的矢量功能。开展了合成双射流分离流控制、矢量控制、超声速/高超声速进气道流场控制、气动热控制、散热冷却、防除冰、水下仿生推进等应用方向,验证了合成双射流控制效率倍增和应用于极端环境的新功能。     

不同出口倾角合成双射流流动特性及边界层控制

基于合成双射流全流场计算模型———X-L模型,对不同出口倾角合成双射流的流动特性进行了数值研究。平直出口合成双射流激励器工作时,合成双射流在出口下游相互作用融合成一股射流,且合成双射流间有"自给"现象的发生;倾斜出口合成双射流激励器工作时,在激励器出口下游会形成一股沿壁面的流动,该壁面流可以对周围流体进行有方向的能量和质量输送;随着激励器出口倾斜角度的增大,合成双射流间"自给"现象减弱,沿壁面流速度增大。然后,对不同出口倾角合成双流激励器进行边界层流动控制进行了初步研究。结果显示,合成双射流激励器可控制边界层流动,通过改变激励器出口倾角可以实现对边界层内速度型"饱和"程度的控制。     

水下合成双射流流场特性与推力特性实验研究

为实现合成双射流技术在水下航行器上的应用,对水下合成双射流开展了流场特性和推力特性的实验研究,分析了水下合成双射流的平均流场特性和推力特性。实验得到了激励器出口不同位置处平均流场流向速度分布情况和水下合成双射流峰值推力随激励器驱动频率的变化规律,并研究了驱动电压幅值和波形对流场及推力的影响。实验发现:存在最佳频率使得水下合成双射流推力达到最大;驱动电压幅值越大,推力越大;不同波形的电压所产生的推力不同,矩形波所产生的推力相对正弦波和三角波所产生的推力更大。     

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

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。     

合成双射流控制NACA0015翼型大攻角流动分离试验研究

设计了一种卧式合成双射流激励器(DSJA),并对其在翼展中段控制NACA0015翼型大攻角流动完全分离进行试验研究,分析了合成双射流激励器两射流出口位置及射流能量对控制机翼流动分离的影响规律。结果表明:合成双射流激励器对机翼大攻角流动分离具有很强的控制能力,可显著提高机翼流动分离攻角;合成双射流激励器两射流出口相对分离点的位置是影响控制效果的重要参数;合成双射流激励器两出口任一出口位于分离点之前,且越靠近分离点,其对边界层分离的控制效果越好,并且当分离点位于合成双射流激励器两出口之间,且离第一出口位置较近时,合成双射流"接力"控制机翼分离的效果更加明显;与合成射流"单射流"相比,合成双射流"两射流"对分离点位置的有效控制区域明显增大。此外,提高合成双射流激励器的射流能量,其控制机翼流动分离的能力提高。     

Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods

In order to improve the control ability of synthetic jets in compressible boundary layer, a novel control method based on dual synthetic cold/hot jets coupled control of velocity profile and temperature profile was proposed. As fundamental investigations on the effects of synthetic jet temperature on the jet behavior and flow field characteristics were essentially necessary, preliminary numerical simulations were conducted to study the influence of temperature (200 K and 400 K) on the flow field characteristics of synthetic jets using Large Eddy Simulations (LES) model. Time-averaged flow fields showed that different temperatures led to variable behavior of two strands of jets. For dual synthetic cold jets, a potential-core arose apparently with its height ranging from 0.01 to 0.03 m, while for dual synthetic hot jets, two strands of jets emerged downstream. The modal decomposition of instantaneous flow fields had been done using both Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD). Various modes showed different characteristics of the flow fields. As the POD method focuses on the energy of flow while the DMD method focuses on the frequency, the first two modes had many similarities, but the third and fourth modes demonstrated completely different vortex structures. The current researches play a role of preliminary investigations for further and comprehensive exploration of novel flow control measures in global velocity field.     

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.     

零质量自耦合射流控制喷流矢量实验

以压电陶瓷振为激振源的自耦合射流激发器,在发射孔产生一系列平均质量流率为零的涡环,对垂直布置的主流产生复杂的相互作用,使主流实现矢量偏转。研究了自耦合射流激发器自身机理和自耦合射流使主流实现矢量偏转的实验,在实验条件下,自耦合射流使20m s流速的主流产生了最大17°的矢量偏转。