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。     

合成射流控制主流矢量的发展过程

合成射流激励器射流矢量控制具有对吸气式发动机进气道出流和发动机喷管流动进行矢量控制的潜力。通过对四种不同出口构型合成射流激励器控制主流矢量偏转的数值模拟和分析,对合成射流控制主流矢量的发展过程进行了研究。结果表明:合成射流控制主流矢量的发展过程可分为三个不同阶段,第一阶段,在主流通道内,激励器工作引起的主流通道压强梯度形成的侧向力致偏主流,在出口处主流矢量偏转Ⅰ;第二阶段,在主流出口附近,合成射流对主流的卷吸作用和引射作用,致偏主流Ⅱ;第三阶段,在出口下游,合成射流与主流自由剪切层发生相互耦合作用,致偏Ⅲ。因此,主射流最终偏转角度是其在经历三个不同阶段时受到的合成射流致偏作用之和,即=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ。     

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。     

基于被动二次流的射流偏转比例控制

射流偏转比例控制一直是流体式推力矢量(FTV)技术所追求的目标之一。本文研制了一种二元流体式推力矢量喷管,采用能量消耗极小的被动二次流与Conada壁面相结合的方式对低速主射流进行矢量偏转控制,通过改变喷管控制缝入口面积实现了主射流偏转的连续比例控制。对低速主射流两侧控制缝压力和射流偏转角进行测量,获得了主射流偏转角随两侧控制缝压力差系数变化的控制规律曲线。结果表明:低速主射流最大偏转角达到19°,在偏转范围内控制曲线分为敏感区和迟钝区。敏感区的控制曲线近似线性,斜率较大,范围约为±15°;而迟钝区的控制曲线斜率较小,在两侧15°~19°的范围内。该结果证实了主射流两侧的压力差是造成其偏转的直接原因。     

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。     

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。     

合成射流与横向主流作用的流场数值分析

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,对横向主流偏转角及上下壁面压力变化进行了讨论。计算结果表明,激励器布置位置是影响主流偏转角的重要因素,在主流通道内侧,激励器与主流出口之间的上下壁面压力差较大。文中还对两种不同模式下合成射流对主流的控制效果做了比较。     

自耦合射流对平行主射流的矢量偏转PIV实验

为研究不同激励信号下自耦合射流对主射流的矢量偏转的影响,采用二者平行布局的方式,利用压电陶瓷单缝激励器出口两侧形成的低压区的卷吸作用,使主射流发生了明显地矢量偏转。PIV实验表明,当激励信号f=400 Hz时,自耦合射流的动量通量达到最大,主射流的对环境气体的卷吸能力最强,其边界也达到了最宽;而当激励信号f=500 Hz时,激励器出口缝处表现出最强的卷吸作用,并使流速2.6 m/s的主射流发生了最大48°的矢量偏转。      

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。     

合成双射流矢量特性影响因素分析

为了拓展合成双射流作动器在无人机推力矢量控制方面的应用,需要对合成双射流作动器结构进行优化,提高其矢量性能。通过分析合成双射流的特性,引入了以射流冲程为基础的无量纲距离,建立了射流矢量角的计算方法,并以此为评价指标,采用单因素试验法分析了合成双射流作动器无量纲结构参数对射流矢量角的影响机制和规律。利用极差分析法获得了各参数对射流矢量角影响的显著程度:出口宽度出口长度出口间距出口深度腔体高度,提出了作动器结构参数设计的原则。     

双微射流作动器定向控制主流数值模拟

采用改进的Beam-Warming近似因式分解法求解二维、粘性、非定常、可压全N-S方程,对双微射流作动器定向控制主流的合成流场进行数值模拟。计算结果揭示了主流在双微射流作用下会比在单微射流作用下产生更大的偏转,并探讨了其产生偏转的原因。分析了主流的偏转程度与相邻作动器相位差之间的关系,即相邻作动器之间的相位差必须在一定的范围内,主流才能发生更大的偏转。     

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

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。     

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。     

基于横向二次射流的水下推力矢量方法

提出一种基于横向二次射流的水下推力矢量技术,通过二次射流的横向速度场诱导主流发生偏转,建立了推力矢量偏角与流速偏角的数学关系,证明了通过主流偏转实现推力矢量偏转的有效性。通过数值计算方法分析了不同二次射流深度、不同二次射流/主流体积比及不同二次射流/主流速度比条件下主流偏转角度变化。结果显示:随着二次射流深度的增加,主流受到壁面阻碍作用增强,因而偏转角度减小。随着二次射流/主流体积比的减小,出口负压区所占比例减小,主流偏转角度增加,且当体积比减小到一定值后,负压影响可以忽略,主流不再随体积比而变化。主流偏转角度随速度比增加而增加,且在速度比一定的条件下,速度数值的变化对主流偏转没有影响。设计了一种主流为圆形射流的水下矢量推进器,对其数值分析结果揭示:当位于射流中剖面同侧的二次射流全部作动时,主流可以取得最大的偏转角度,且主流的偏转方向可以通过使不同的二次射流组合处于作动状态进行控制。      

轴对称矢量喷管有效喉道调节方法

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程对轴对称矢量喷管内流场进行了数值模拟,分析了不同落压比下轴对称矢量喷管有效喉道及流量系数随矢量偏转角的变化规律.研究发现:矢量偏转角超过一定值时,轴对称矢量喷管有效喉道位置发生倾斜,有效喉道面积减小,流量系数降低,矢量偏转角越大落压比越低,流量系数降低幅度越大.根据研究结果提出了一种针对矢量偏转状态的轴对称矢量喷管有效喉道调节方法,方法以落压比和矢量偏转角为输入参数,考虑了轴对称矢量喷管几何喉道面积调节前后流量系数的变化.该调节方法能够为发动机控制系统提供更精准的输入,提高控制精度,矢量偏转前后流量相差不超过0.4%,调节时间缩短至少10%,可为推力矢量发动机工作状态调节提供参考.      

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。