不同出口型与驱动频率的活塞型自耦合射流研究

采用PIV对驱动频率为10, 20, 30 Hz的活塞式自耦合射流作动器流场进行测量, 应用相位锁定技术, 测得了一个周期内72个相位的瞬时流场.对3种频率下的自耦合射流的变化规律的分析, 发现当前实验条件下, 在几何尺寸不变时, 随着频率的增加, 冲程长度L0与平均出口速度U0迅速上升;当频率不变时, 随着出口孔长宽比AR的增加, 冲程长度L0于平均出口速度U0呈下降趋势;而随着孔板厚度d的增加, 冲程长度L0却随之下降.通过5个周期360张瞬时流场图的平均得到了自耦合射流的时均流场, 数据分析表明, 自耦合射流方向性很好, 其沿流方向速度剖面具有自模化特征.相对于定常二维平面射流, 其稳定发展段中心线上沿流向方向速度衰减较快.      

半钹形压电合成射流驱动器及其特征参数研究

采用了一种新型驱动结构,半钹形压电金属复合结构,以提高合成射流驱动器出口射流速度,增强其流场主动控制能力。研究了3种半钹形隔膜及一种传统平板形驱动隔膜的合成射流驱动器,分别对其频率响应特性、射流时均速度沿出口中心线方向以及出口两侧的分布做了比较分析。结果表明3种半钹形隔膜驱动器的出口射流时均速度比平板形驱动器分别提高了51%,26%和48%。此外,还研究了半钹形驱动器的腔体结构特征尺寸对出口射流速度的影响,结果表明驱动器腔体结构特征尺寸存在着优化组合,使得出口射流速度更大,而且沿出口中心线方向上的速度衰减降低。     

等离子体合成射流的理论模型与重频激励特性

等离子体合成射流(PSJ)具有激励强度大、响应速度快等优点,在超声速流动控制领域应用前景广阔。鉴于此,基于传热学和气体动力学的相关理论,建立了考虑喉道内部气流惯性、腔体内外热交换以及吸气恢复阶段的PSJ全周期理论模型,实现了射流速度峰值时刻、吸气过程和振荡过程等关键特性的预测。基于该模型,分析了等离子体合成射流激励器的重复频率工作特点,研究了能量沉积、激励频率和射流孔径对于重频激励特性的影响。重频条件下,激励器存在过渡和稳定两种典型状态。过渡状态下,腔内平均温度不断升高、射流速度峰值逐渐增大。稳定状态下,腔内气体参数呈周期性变化。随着能量沉积和激励频率的增加,激励器腔体内壁温度、射流速度峰值和时均冲力均增加。受腔体材料耐温极限的制约,激励器存在安全工作的参数区间(SOA)。随着孔径的增加,SOA增大,但稳定工作状态下的射流速度峰值和射流持续时间减小。     

合成射流流动特性实验研究及在燃烧中的应用探讨

应用热线风速仪对合成射流激励器出口流场进行了较详细测量。实验结果表明,激励器流场可划分为2个不同的区域。在距离激励器出口10～15倍出口缝宽之前,流动具有强烈的非定常性;在此位置下游,流动特性与常规射流相似。在流向中心线上,随着向下游距离的增加,时均速度呈先增后降的趋势,湍流度则单调递减。当激励电压有效值40V、激励频率980Hz时,时均速度在15倍缝宽处达到最大,约14.2m/s,激励器出口附近湍流度近80%。在展向上,时均速度、湍流度均剧烈改变,梯度变化明显高于常规喷流。适当参数的合成射流激励可以改善扩散燃烧器出口温度分布、降低NO_x生成量。      

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。     

高温环境辅助进气合成射流的激励器性能

对高温环境下活塞式合成射流激励器的流场进行了数值模拟和试验研究,对比了激励器工作频率和射流孔直径,对常规、辅助进气激励器性能的影响。结果表明:在高温环境下,相对于常规进气,辅助进气可以显著地提高激励器性能,激励器吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量提高的同时,激励器出口截面射流峰值速度略有下降。辅助进气装置的效能最大区域为高工作频率或者小射流孔直径。相对于常规激励器,辅助进气激励器的吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量的增加幅度最大,分别增加了常规激励器的23073%、10397%和10737%(工作频率为250 Hz,射流孔直径为2 mm)。     

纳秒脉冲等离子体合成射流特性实验研究

设计了新型的等离子体合成射流激励器,采用实验方法研究了该激励器的放电特性、合成射流强度特性以及时均冲力特性。实验结果表明:存在一个饱和激励频率使合成射流的强度达到最大值,当射流孔径为1mm和1.5mm时,这一饱和频率分别为4k Hz和6k Hz;随着与出口距离的增加,射流的强度呈指数衰减,射流的影响距离约为10mm;在4k Hz下,激励器所产生的时均冲力随着激励频率的增加而近似线性增加,该时均冲力与单位长度介质阻挡放电(SDBD)激励器所产生的体积力处于同一量级(m N),孔径为1.5mm下的时均冲力约为孔径为1 mm时的两倍。     

正弦波激励下刚性开孔结构内压响应特性实验

利用声音振动发生原理研制了专门用于内压机理研究的实验装置,对单一开孔的刚性结构在正弦波气压激励下的内压动力特性进行了多参数对比实验。实验研究结果表明：开孔结构在外部动压力作用下会发生腔体共振,随开孔面积增大,腔体共振频率增大阻尼比减小;随孔口深度及内部容积增大,腔体共振频率减小阻尼比增大;对于深宽比很小且开孔面积相同的孔口,孔口形状对腔体共振频率影响不大,对阻尼比有一定影响。     

补气式等离子体射流发生器实验研究

提出一种补气式等离子体射流(ASPSJ)发生器,在常规火花放电式等离子体射流(PSJ)发生器腔体上连接单向阀,改善发生器吸气复原阶段的补气量和射流的连续性,以获得能量更高的合成射流。研究了在不同加载电参数下,不同类型单向阀对发生器最大射流速度的优化作用;通过正交实验法确定了补气式等离子体射流发生器的最佳工作电参数,以获得最高的合成射流速度。文中的等离子体射流发生器配以所选择的补气单向阀,最优加载电压频率为150 Hz,幅值为50 kV,占空比为15%。实验结果表明,补气式等离子体射流发生器将最大射流速度提升20%以上,高射流速度的工作频带由单点扩展到100 Hz,以期在应用于流动控制时获得更好的效果。研究成果为后续的主动流动控制的应用研究提供了指导。     

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。     

合成射流流场数值模拟及激励器参数分析

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道及外部受控流场作为单连域计算处理的全流场计算模型———X L模型,并进行了二维数值计算。基于数值计算获得的激励器出口数度分布,对合成射流激励器结构参数及驱动因素对合成射流的影响进行了分析,得到了表示激励器参数和出口最大速度关系的相关函数,为设计强劲且高效率的合成射流激励器提供参考。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

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。     

圆锥脉冲等离子体诱导流场特性分析

对等离子体诱导流场特性进行研究,有利于解决双稳态非对称分离涡带来的连续比例控制困难的问题。在封闭光学玻璃箱体内,应用介质阻挡放电等离子体对20°顶角圆锥附近静止大气进行了定常和脉冲循环控制,对等离子体诱导的圆锥截面绕流速度场进行了二维PIV测量,对定常控制和脉冲循环控制下最大绕流速度及最大轴向涡量进行了比较分析。实验结果表明：相对于定常控制模式,脉冲循环控制下沿垂直于圆锥截面对称面径线分布的时间平均切向速度和轴向涡量范围较广;在脉冲循环控制下,动量传递的主要表现在离散涡的形成而不是气流的加速。     

火花型激励合成射流瞬时流场测试

采用粒子图像测速仪(PIV)相位锁定采样方法对一个特定结构的火花型合成射流的非定常流场进行了实验测量，得到了火花型合成射流形成的涡对在外场的发展过程；同时采用热线风速仪对喷孔下游固定位置的瞬时速度进行了测试，对火花型合成射流激励参数(放电器储能、激励频率)的影响进行了初步的对比分析。结果表明:合成射流在孔口喷射初期呈现球面扩散状，在发展过程中不断剪切和卷吸外部气流，形成一系列旋向相反的涡串；合成射流的最大瞬时峰值法向速度出现在放电后大约005T时刻，随后其作用范围迅速扩大，瞬时峰值速度和涡量逐渐降低。在该激励器结构参数和激励参数范围内，合成射流随激励频率和放电器储能的增大而有所增加。      

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。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究。采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化。通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律。研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m／s时,最大升力系数增加11％,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高。     

等离子体激励器控制平板边界层转捩实验研究

在低速射流风洞中,研究了单级介质阻挡放电等离子体激励器对光滑平板边界层转捩位置的控制作用。实验采用热线测量技术,以边界层速度脉动与平均速度型作为转捩判据。实验发现,在来流速度为15 m/s,激励器连续放电参数为输出电压峰峰值11 kV,频率4.7 kHz时,在激励器放电作用下,平板边界层转捩位置推迟约40 mm。在相同的来流条件和激励器布局下,研究了不同放电参数对边界层内速度型,速度脉动以及频谱分布的影响,发现提高放电电压、频率和占空比能进一步推迟转捩。实验结果表明:激励器产生的射流效应可以增强边界层流动的稳定性,随放电电压、频率以及占空比增强,射流能量增大,因此边界层稳定性进一步加强,转捩控制效果也更明显。     

螺旋桨旋转速度对机翼气动力影响的数值模拟

为了研究螺旋桨滑流中的旋转速度对机翼气动力的影响,分别采用非定常方法和桨盘理论两种方式对螺旋桨/机翼构型进行模拟。与非定常方法对比,桨盘理论足以模拟螺旋桨滑流对机翼的影响,并能降低计算要求,缩短计算时间。因此,采用桨盘理论研究桨盘扭矩载荷对应的旋转速度增量对机翼气动力的影响。计算结果表明,桨盘旋转速度对机翼升力影响不大,但是对零攻角时的机翼阻力存在特殊的影响。发现了这一影响,并对其原因进行了说明。