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。     

八字形出口合成射流激励器机翼分离流控制

设计研制了一种适于机翼分离流动控制的八字形出口合成射流激励器，对其出口射流与主流的相互作用特性进行了研究，粒子图像测速仪（PIV）流场测试和边界层速度型测试结果揭示了其控制机制为促进边界层与主流的诱导掺混，提升边界层底层能量。利用该激励器阵列对NACA633-421三维直机翼模型开展了针对射流能量比Cμ和阵列位置两个参数的分离流控制研究，天平测力及翼型表面测压结果显示该激励器可有效抑制翼面流动分离、推迟失速迎角。在设计范围内，射流能量比Cμ值越大，控制效果越好，当Cμ＝0．00168时，机翼最大升力系数提升了5．92％，失速迎角推迟了2．5°（激励器阵列位于0．3c处）。激励器阵列的弦向布置位置是一个重要控制参数，阵列位于0．3c处时最大升力系数提升量大于位于0．55c时。     

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。     

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。     

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%。     

低雷诺数自由翼斜出口合成射流分离流流动控制

采用斜出口合成射流对低雷诺数自由翼进行分离流主动流动控制,通过可视化机翼表面压力测试技术和粒子图像测速技术的同步测量,探究了合成射流对自由翼平衡迎角的提升效果及合成射流作用后自由翼迎角突跃的物理机制。实验结果表明:在低雷诺数来流条件下(Re=1.24×105),自由翼的最大平衡迎角仅为5°;合成射流控制下,最大平衡迎角增至16.8°。无控制状态下,当自由翼平衡迎角达到5°时,上翼面流动分离,处于分离区内的操纵舵面舵效降低。斜出口合成射流激励器在边界层内的能量注入,使自由翼上翼面分离流再附,提高了操纵舵效,促使自由翼迎角突跃,在较大的迎角下保持稳定。在斜出口合成射流激励器的作用下,自由翼可以配平在大迎角飞行状态,对于实现短距起降具有重要的意义。     

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。     

自维持合成双射流对超声速燃烧室凹腔质量交换特性影响研究

为了改善燃烧室凹腔与主流的掺混性能,提出了一种利用凹腔内压力差形成自维持合成射流的流场控制方法,在超声速冷流条件下,采用动网格技术对激励器的膜片振动过程进行模拟,详细分析了自维持合成双射流与凹腔相互作用的过程,研究了激励器出口位置、参数、凹腔构型以及来流Ma数等参数的影响。结果表明:加入自维持合成双射流激励器可以大幅提升凹腔的质量交换特性,减小气体在凹腔内的驻留时间;且激励器出口位置分布对控制效果影响较大,当激励器出口位于凹腔底部中间位置时,质量交换率最大能够提升49%。此外,凹腔构型以及来流条件都会影响自维持合成双射流对凹腔掺混的控制效果,在相同来流条件下,凹腔长深比越大,控制效果越显著,自维持合成双射流能使长深比L/D=7.76的凹腔质量交换率提升115%;对于同一凹腔,随着来流马赫数增加,激励器对凹腔质量交换特性控制效果提升更为明显,但改变振动膜片的振幅和频率对控制效果的改善不明显。     

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。     

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。     

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.     

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。     

等离子体控制翼型流动分离实验

为了提高等离子体的流动控制能力,在常规大气环境,来流风速分别为20m/s、30m/s、40m/s条件下进行了介质阻挡放电抑制NACA0015翼型流动分离实验研究。结果表明：等离子体能有效的抑制分离,实现增升减阻,但随着来流风速增加,有效控制的起始和终止攻角均变大,攻角区域却逐渐变小;可以通过在翼型分离点附近布置等离子体激励器,在允许的范围内尽量提高输入功率,使控制效果达到最佳。     

新型等离子体激励器对流动分离点控制

在西北工业大学低湍流度风洞中采用新型等离子激励器对NACA0015翼型进行表面流动分离点的控制实验。实验风速为20m／s和35m／s,迎角为0°～16°。并参照压力分布的实验结果对流动控制的效果进行了对比分析。结果表明：翼型表面的气流分离点只要落在等离子体激励所形成的激励区内,分离点都会被推迟到靠近等离子体激励器的最末端电极处。证明等离子激励器能够对翼型表面的分离点进行有效控制。     

OA212翼型主动流动控制的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,探讨了基于零质量射流的主动流动控制技术对OA212旋翼翼型动态失速的控制效果和控制特性.以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.空间离散采用AUSM~+-up格式,时间推进采用含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法,且引入了预处理方法和多重网格方法加速收敛.通过在喷口上施加非定常边界条件来模拟射流对翼型绕流的影响.研究了不同类型射流、不同位置射流以及不同控制参数(频率、相位、偏角、动量系数等)对动态失速控制效果的影响.研究表明:零质量射流和传统的定常射流均可减小动态失速迟滞环的回线面积,但在提高最大升力方面零质量射流明显优于定常射流;在12%c和62%c处施加组合零质量射流的控制效果最为明显.     

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。     

Parametric analyses for synthetic jet control on separation and stall over rotor airfoil

Numerical simulations are performed to investigate the effects of synthetic jet control on separation and stall over rotor airfoils. The preconditioned and unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations coupled with a k x shear stream transport turbulence model are employed to accomplish the flowfield simulation of rotor airfoils under jet control. Additionally,a velocity boundary condition modeled by a sinusoidal function is developed to fulfill the perturbation effect of periodic jets. The validity of the present CFD procedure is evaluated by the simulated results of an isolated synthetic jet and the jet control case for airfoil NACA0015. Then, parametric analyses are conducted specifically for an OA213 rotor airfoil to investigate the effects of jet parameters(forcing frequency, jet location and momentum coefficient, jet direction, and distribution of jet arrays) on the control effect of the aerodynamic characteristics of a rotor airfoil. Preliminary results indicate that the efficiency of jet control can be improved with specific frequencies(the best lift-drag ratio at F+= 2.0) and jet angles(40 or 75) when the jets are located near the separation point of the rotor airfoil. Furthermore, as a result of a suitable combination of jet arrays, the lift coefficient of the airfoil can be improved by nearly 100%, and the corresponding drag coefficient decreased by26.5% in comparison with the single point control case.