基于零质量射流技术的旋翼翼型流场主动控制研究

旋翼翼型经常工作在大迎角来流条件下,流动分离普遍存在。通过在具有分离流动的翼型表面施加零质量射流控制,可以实现对流动分离的抑制,达到增升减阻、推迟失速的目的。本文通过对某旋翼翼型的流动控制的计算,采用数值模拟方法研究了零质量射流主动流动控制机理,并对影响零质量射流控制效果的射流喷角、动量系数和无量纲频率三个控制参数进行了分析比较,得出了一些有意义的结论。     

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.     

零质量射流推迟翼型失速的数值模拟

 通过在具有分离流动的翼型表面局部地引入零质量射流干扰，可以较小的能量代价实现对翼型绕流的全局性主动控制，从而达到抑制分离、推迟翼型失速的目的。本文发展了零质量射流与翼型绕流干扰的数值分析方法。在格心有限体积法的基础上，空间离散采用AUSM+up格式，时间推进运用含牛顿型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法等技术。以TAU0015翼型失速主动控制为算例，通过在翼型上表面前缘附近引入零质量射流控制，使翼型失速特性得到改善。将计算结果与实验结果做了比较，验证了本文发展的数值模拟方法及程序的正确性。还以NACA0015翼型为例研究了射流动量系数、射流频率、射流偏角等关键参数对失速控制效果的影响，得出一些关于如何选择控制参数的结论。     

增升减阻流动控制技术的数值模拟研究

针对微型涡流发生器、实体鼓包这两种被动流动控制技术和零净质量射流这种主动流动控制技术进行了数值模拟。研究了微型涡流发生器的高度和弦向安装位置对超临界机翼增升减阻的影响规律,高度合适的微型涡流发生器对机翼上表面的流动分离控制起着有利作用;微型涡流发生器最佳气动效率的取得与其弦向安装位置有关。研究了实体鼓包的高度对超临界翼型减少激波阻力和增加升阻比的影响规律,在激波的波脚位置有效地使用实体鼓包,可以减小激波阻力;在中高升力系数情况下,使用实体鼓包可提高升阻比。还研究了零净质量射流的速度幅值和射流频率对翼型增加升力的影响规律,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。     

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.     

荧光油膜技术及其在流动控制中的应用（英文）

研究了运用荧光油膜技术测量全局表面摩擦应力的方法,引入金字塔迭代技术和模拟演化技术提出了该方法的优化求解算法,并通过平板绊线实验对以上方法进行了验证。以此为基础,通过两个典型的流动控制实验进一步探讨了荧光油膜技术在流动控制中的应用,其中包括采用不同参数锯齿形转捩带控制平板流动转捩的被动流动控制实验和不同激励频率下的后台阶零质量射流主动流动控制实验。以上实验测量结果表明,荧光油膜方法能够有效帮助理解流动机理并可用于评估流动控制策略。     

用双流体模型模拟超声速气固两相流动

采用了双流体模型对JPL(Jet Propulsion Laboratory)喷管中气固两相流动以及超声速射流两相流动进行了数值模拟,并研究了可压缩两相流动中气相与颗粒的相互作用规律.自主开发的一般曲线坐标系下二维轴对称可压缩双流体程序Solve2D,对气相求解Navier-Stokes(N-S)方程组,采用k-ε湍流模型,颗粒相求解Euler方程组.对JPL喷管内的两相流场和湍流两相射流流场进行了数值模拟,研究了不同颗粒质量百分数以及不同颗粒直径时的气固两相流场的流动规律.      

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法（DVM）是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压 N-S 方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明：引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

进气道射流流动控制数值模拟优化研究

编写质量流量边界条件程序代码,通过求解N-S方程对平板微质量射流流动控制进行数值模拟,并与相关资料进行对比分析,验证代码的正确性。结合中心复合设计方法制定数值模拟方案,对双S型进气道微质量射流流动控制进行数值模拟,并分析了25组射流流动控制装置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、出口（AIP）流场畸变的不同影响,应用响应面法给出射流控制最佳参数组合,为双S型进气道主动流动控制装置参数优化提供了技术参考。     

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.     

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.     

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。     

三维可压和不可压缩流动数值模拟的一种预处理多重网格方法研究(英文)

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

低耗散TVD格式及叶轮机内低马赫数流动模拟

推导了条件化预处理矩阵在守恒变量下的形式,以及三维任意曲线坐标系下的相应的系统特征值与特征矩阵.根据预处理技术修正了任意曲线坐标下的Harten-TVD格式,得到低耗散TVD格式,并讨论了抑制了压力速度失耦的方法.分别使用修正后低耗散格式与未修正的格式,对高负荷低压涡轮叶栅T106内低速流动:进口马赫数分别为0.1,0.01和0.001,进行数值模拟.计算表明,未修正格式不能得到有意义的结果,而修正后的低耗散格式,即使在极低的马赫数流动下,也工作良好.同时可以注意到:对于无粘流动,三种进口马赫数条件下,流场内等压线分布几乎是一致的.     

悬停旋翼无粘流场数值模拟中的多重网格方法

发展了一种基于不同空间离散格式的多重网格算法,并应用于悬停旋翼无粘绕流的Euler方程数值模拟。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域,同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间,使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场,因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散采用了Roe s FDS格式和Jameson中心有限体积格式,时间推进应用了五步Runge-Kutta方法。采用多重网格V循环方式,对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明:多重网格算法可以显著加速悬停旋翼无粘流场的数值计算收敛速度;无论在激波分辨率还是在计算精度上,Roe s FDS格式都优于JST格式。     

翼型分离流动主动控制实验

设计制作了两种布局形式的压电式合成射流致动器,采用热线风速仪在静止环境下对长方形喷口的速度场进行了测量,结果表明致动器喷口法向喷出最大速度可达到21.32 m/s.开展了基于合成射流技术的翼型分离流动主动控制实验,致动器采用倾斜喷出时速度为10 m/s量级,有效推迟了翼型表面流动的分离,改善了翼型的失速特性,最大升力系数提高11.36%,失速迎角增加3°.与此同时发现动量系数达到10-3量级时分离流动主动控制效果显著,动量系数小于10-4量级分离流动控制将几乎没有效果.     

高超声速进气道附面层分离无源被动控制

为了控制超燃冲压发动机进气道唇口反射激波诱导的附面层分离,根据其流动特征,提出了附面层泄除-吹除互相驱动的自适应、无源、被动控制方案。并采用空间HLLE格式、LU-SGS隐式推进、多块结构网格的有限体积法数值模拟程序对该流动现象进行了数值模拟。数值结果表明,施加自适应无源被动控制后,分离区长度减小为无控制时的45%,控制区域的总压恢复系数和流场均匀性提高。从而证实了自适应、无源、被动控制抑制高超声速进气道附面层分离的可行性。