动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。     

基于记忆合金的可变形涡流发生器控制唇罩激波/边界层干扰研究

为了对超声速进气道口部唇罩激波/边界层干扰进行有效的控制,提出了一种基于记忆合金的可变形大长高比涡流发生器,并通过风洞实验验证了该方案的可行性和控制效果。结果表明:在记忆合金的驱动下,大长高比的涡流发生器可以实现自主变形,并且其变形量与设计值吻合较好,在没有外界气流干扰条件下涡流发生器尾缘变形高度与设计值的相对误差为3%,在风洞吹风条件下,变形完成的涡流发生器尾缘高度与设计值的误差为5.4%。在大长高比的可变形涡流发生器控制下,进气道入口因唇罩激波/边界层干扰导致的边界层分离包被有效控制,其被分割破碎为多个沿展向分布的小尺度分离包。同时,涡流发生器尾部诱导的旋涡增强了分离包内的低能流与主流的掺混,促使分离气流迅速再附。当进气道在马赫3.8工作时,进气道出口的总压恢复系数从无控制时的0.557提升至0.603。     

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。     

激波/边界层干扰及微型涡流发生器控制研究进展

激波/边界层干扰是一种发生在超声速/高超声速流动中的普遍现象。该现象将引起分离、流场结构振荡、局部高热通量和压力载荷。主要总结了近十年来激波/边界层干扰特性与微型涡流发生器及其组合体在流动控制中的最新进展。微型涡流发生器是目前研究最多、应用最广泛的控制方法,其流动机理和控制特性被大量挖掘。为了适应来流条件的变化、满足实际工况的需要,应开发定量评估和参数化设计方法。同时,应探索微型涡流发生器与其他控制方法的组合,实现更大程度、更广范围流场的控制。     

基于DES方法的高超声速激波/边界层干扰的双微楔控制数值研究

高超声速飞行器在流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。采用湍流离散涡模拟(DES)方法、结合有限体积离散方法与自适应网格加密(AMR)技术对来流马赫数为7.0的流场中SWBLI诱导的流动分离进行数值模拟,并分别采用单、双微楔对其进行控制。针对流场结构、近壁面流向速度、压力梯度及总压损失等参数,分析讨论了不同双微楔流向安装位置对SWBLI的控制效果。研究结果表明:双微楔产生的流向涡对与涡对之间的相互诱导促进了各自流向涡对之间的卷吸作用,使得双微楔对分离气泡的消除效果优于单只微楔;流动总压损失系数随着微楔后缘与分离气泡中心的距离的减小呈先减小后增加的趋势;综合讨论流向涡强度与形状阻力的影响,得到了双微楔最佳流向安装位置。     

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。     

超声速来流下叶片式微型涡流发生器流动控制研究

不同构型的微型涡流发生器对提高进气道/隔离段性能所产生的效果不同.采用数值模拟方法研究来流马赫数为2.0条件下,五种叶片式微型涡流发生器对流场边界层的流动控制特性.结果表明:带有一定前缘高度的叶片式微型涡流发生器可产生更强的流向涡,总压畸变和马赫数畸变较小,流场出流质量更佳,但同时带来较大的总压损失;微型涡流发生器的前缘厚度对流场性能提升无明显帮助,反而会增大总压损失;无前缘高度的微型涡流发生器能在引入较小总压损失的情况下,使隔离段拥有较强的抗反压能力,同时有效增大壁面摩擦系数,提高边界层对抗分离的能力.     

高能电弧等离子体激励控制双压缩拐角激波/边界层干扰实验研究

超声速/高超声速飞行器进气道入口处多采用多级压缩构型,其诱导的激波/边界层干扰严重影响进气道效率和飞行器的气动性能,因此对双压缩拐角激波/边界层干扰进行流动控制具有较强的应用背景。在来流速度为Ma=2.0的风洞内,针对三种典型的双压缩拐角构型,开展了高能流向脉冲电弧放电阵列调控双压缩拐角激波/边界层干扰的实验研究,并对激励流场的高速纹影图像进行了空间梯度阈值处理和均方根处理。结果显示,在激励的作用下两道分离激波的强度均减弱,验证了利用高能流向脉冲电弧放电阵列控制双压缩拐角激波/边界层干扰的可行性。在分析控制效果的基础上,获得了在不同构型拐角的流场中前驱冲击波列和控制气泡的演化规律,结合控制效果的时序特征,最终揭示了高能流向脉冲电弧放电阵列作用于双压缩拐角激波/边界层干扰的前驱控制和接续控制的接力控制机理。     

局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究

采用数值模拟的方法研究局部电弧丝状放电激励对激波/边界层干扰引起的气流分离的控制效果和机理。研究发现在干扰区上游和干扰区内进行电弧放电能够有效控制边界层的分离,且控制效果随着能量输入增大而增强,最大可使分离区减小40.6%,而在干扰区下游作用时对激波/边界层干扰基本没有影响。结合热阻塞效应,可得出电弧放电的作用机理是其产生的焦耳热在流场中造成局部流场阻塞,形成等离子体虚拟型面,在流场中诱导出微弱的斜激波和旋向相反的漩涡,增大了边界层内流体的动量,使其抵抗分离的能力增强,从而抑制了气流的分离。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

利用涡流发生器抑制S弯进气道旋流畸变的数值模拟研究

S弯进气道由于其良好的隐身性能为现代作战飞机所青睐,但是由于进气道是弯曲的,较大的表面曲率容易导致边界层分离,降低了进气道的总压恢复,增加了气流的湍流脉动,导致旋流畸变的发生。对边界层流动实施控制可以推迟、扼制流动分离,改变进气道的气动性能。本研究在某机型进气道的CAD模型的基础上,利用FLUENT软件对采用不同类型的边界层扰流片(涡流发生器)进行数值模拟,控制边界层分离,使大S弯进气道出口的总压恢复和旋流畸变指标得以改善。     

涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响

为了研究涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响,根据风扇的流动特点,设计了在第二级静子叶根入口前加涡流发生器的流动控制方案,并以此为基础提出了多种不同周向位置和高度的涡流发生器方案,通过计算对采取各种方案下的流场进行了分析。研究表明,涡流发生器对风扇第二级静子角区气流分离有较好的控制作用;涡流发生器的周向位置对第二级静子角区气流分离和损失的影响较大,采取方案C时可以更好地抑制角区气流分离,减少局部损失;涡流发生器高度过高会使静子压力面出现不同程度的低速区,同时也会引起静子通道内局部损失增加,在所研究的范围内,当涡流发生器高度降低1%叶高时,其对吸力面角区分离的控制效果更加明显。     

射流涡发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制大涡模拟研究

为了研究射流涡发生器对激波边界层作用所诱导的流动分离控制机理及其流场特性,基于大涡模拟(Large eddy simulation)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=2.5情况下,平板上射流涡发生器对激波与边界层相互作用所诱导流场进行了数值模拟。结果表明,射流涡发生器对激波边界层的流体分离有一定的抑制作用,与无控制情况相比,射流作用下进出口总压恢复系数由85.9%提高到94.6%。射流尾涡主要集中于一环状区域内,在该区域内,入射激波与马蹄涡、桶形激波上方的涡管以及剪切涡相互作用,导致整体尾流被激波往下压缩。同时在激波的压缩下,各涡之间相互缠绕、挤压合并,形成多个流向小涡结构,将边界层外的高速流体卷入边界层内,从而增加边界层底层能量,达到抑制流动分离的目的。     

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。      

交流介质阻挡放电等离子体主动控制S形进气道流动分离的实验研究

S形进气道内的流动分离和二次流造成进气道出口压力损失和气流畸变较为严重，严重影响发动机的工作性能。为改善其流场特性，采用交流介质阻挡放电(Alternating current dielectric barrier discharge,AC-DBD)等离子体激励器主动控制进气道内的流场。在来流风速为10m/s，雷诺数Re_D为1.35×10⁵的工况下，探究了控制位置、布局形式对控制效果的作用规律，从流向和出口截面流场及压力分布出发，探究了主动控制的机理。结果表明，AC-DBD等离子体激励器能够提高壁面静压恢复系数，抑制流动分离并改善出口压力畸变。激励器控制位置在分离点附近最佳，且以诱导气流与来流平行的布局形式最优。在本实验范围内，出口静压系数提高了8.94%，出口稳态畸变指数降低了4.58%。其控制机理是DBD等离子体产生的诱导气流直接加速边界层运动，提高边界层抵抗逆压梯度的能力，从而抑制流动分离。同时，抑制二次流运动，降低压力畸变。     

超燃进气道激波/湍流边界层干扰

针对超燃进气道湍流边界层/激波干扰引起的分离问题,采用基于5阶WENO数值格式的大涡模拟(LES)方法开展流场湍流非定常预测,旨在分析进气道湍流化技术实现进气道起动的可行性。研究表明,平板激波/湍流边界层干扰(STBLI)问题,LES方法能够清晰、可靠预测反射、分离激波形成过程及激波与充分发展湍流边界层的相互干扰,定量结果与试验一致;进气道研究方面,层流状态下,激波干扰产生强分离,导致进气道堵塞,而采用湍流化控制后试验和计算均表明流场分离明显减小,流场稳定且无明显堵塞现象,进气道可以起动,总压恢复系数达到要求,该结果表明,利用强湍流化减弱分离,实现进气道起动思想是可行的。      

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。     

基于数值涡流发生器双S型进气道被动流动控制装置参数优化

采用数值涡流发生器代替真实涡流发生器叶片进行双S型进气道流动控制数值模拟,结合实验设计理论分析了27组涡流发生器应用于进气道流动控制计算结果,从中找出控制装置参数变化对进气道总压恢复、流场畸变的不同影响,应用响应面法给出最佳参数组合,为双S型进气道被动流动控制装置参数优化提供技术参考.     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

基于实验设计超紧凑进气道被动流动控制优化设计

采用实验设计方法对影响超紧凑进气道流动控制效果的五个因素进行数值优化设计。采用数值涡流发生器代替真实物理叶片进行流场求解，分析了27个影响因素组合应用于进气道流动控制的效果，从中找出各影响因素变量对进气道总压恢复、流场畸变不同影响，应用响应曲面法给出最佳影响因素组合，为超紧凑进气道被动流动控制设计提供技术参考。