一种控制气流分离的无源微脉冲射流技术研究

基于压气机在大负荷下发生气流分离的流动特征提出了一种无源引气微脉冲射流控制的概念,并对其核心的脉冲射流器进行了特性实验分析,结果表明脉冲射流器能产生明显的脉冲射流且射流频率无级可调.结合无源脉冲射流控制方式建立了一套仿叶栅通道实验模型,得到了无流动控制时通道内稳态及动态压力特性,在设计状态下通道内分离涡主频为266 Hz.对该分离流场进行了脉冲射流控制通道内气流分离的实验研究,实验测量了频率从60 Hz到600Hz的微脉冲射流对分离流的控制效果.实验结果表明:从通道总压损失减小的效果来看,当脉冲射流频率接近分离涡主频时控制效果最为明显.此时通道内占主导地位的分离涡的周期性特性得到了明显的改善,其他频率的旋涡对流场的影响程度在脉冲射流的作用下被削弱,流场结构较无控、定常射流控制及其他脉冲射流频率状态更为有序.     

脉冲射流控制弯曲扩压管道流动分离的特点

结合弯曲扩压通道的脉冲射流总体控制规律,开展了不同射流频率下通道内流场的稳定及动态特性分析.研究结果表明:定常射流控制状态下,流场内沿径向不同位置流动特性的变化幅度基本相同,定常射流通过压制通道内复杂流动现象达到整体线性地改变通道内流场特性的效果;而在合理脉冲射流控制状态下,脉冲射流对流场的影响主要是通过改变分离涡的脉动时空特性,沿径向逐步增强对流场的影响,从而使得主流区内总压损失降低幅度最为明显,此时扩压通道内占主导地位分离涡的周期性特征有了明显的改善,流场拟序结构更为有序.      

无源微脉冲射流抑制叶栅气流分离的初步实验

基于一种适用于高负荷压气机的无源微脉冲射流控制技术,在平面叶栅实验平台上开展了低马赫数实验研究,得到了无流动控制时叶栅通道内稳态及动态压力特性.对该分离流场（通道内分离涡主频为478Hz,对应的斯特劳哈尔数Sr约为0.2）进行了无源微脉冲射流控制通道内气流分离的实验研究,并针对148Hz到840Hz频率范围内的无源微脉冲射流控制分离流的效果进行了实验测量分析.实验结果表明:在分离涡主频0.85~1.20频率范围内,控制效果最为明显;相比于开缝吹气等定常射流控制方式,无源微脉冲射流控制方式引气流量小,大幅降低了引气对压力面流动特征及叶栅总体性能的影响.      

脉冲等离子体流动控制机理研究

为了深入研究介质阻挡放电等离子体流动控制机理,采用数值仿真方法研究了激励器定常、非定常工作模式下,等离子体流动控制对边界层影响,并分析了不同模式控制流动分离的能力。仿真结果表明:激励器定常工作时,在壁面形成射流,非定常工作时,则在激励器下游诱导产生了一系列旋涡,同时旋涡向下游的运动加剧主流与边界层混合;不同工作模式,等离子体激励都能有效控制流动分离;非定常激励时,脉冲占空比为0.6时仍能有效抑制流动分离,控制效率更高。     

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

火花型合成射流控制运输机后体流动分离的数值研究

利用火花型合成射流对运输机后体流动分离进行了主动控制的数值研究。研究结果表明:火花型合成射流一方面直接向边界层分离区域输入高能动量,另一方面与外流相互作用后形成的旋涡强化了高速外流和低速边界层流的混合,从而推迟了运输机后体的流动分离,减小了分离区的大小;在相同的合成射流激励参数下,在边界层分离点处以及分离点后施加主动控制后的作用效果更好,平均阻力系数最大减小3.26%;与当量的定常射流、脉冲射流相比较,脉冲射流减阻效果优于定常射流,火花型合成射流优于脉冲射流。      

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.     

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究

针对高超声速进气道激波与边界层干扰流动分离控制问题,提出了一种低功率重频非定常激励方式,并基于雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,从唯象学的角度出发,将等离子激励简化为功率密度源项,对比研究了定常与低功率重频非定常等离子体气动激励的作用机理与控制效果。结果表明:定常激励的能量沉积作用对于激波控制非常有效,并可诱导出斜激波,但是对于流动分离控制而言,其能量沉积显然过于强大,反而会使流动分离更加严重,无法满足控制要求;当采用低功率重频非定常激励方式时,对于不同功率密度的情况均存在最佳激励时长与频率,当功率密度为5.0×109W/m3时,最大射流速度可以达到895m/s,并且可以在一定程度上减弱激波与边界层干扰流动分离。      

端壁非定常脉冲射流对高速扩压叶栅性能的影响

为探究非定常脉冲振荡射流对高速平面扩压叶栅气动性能、分离流动控制以及流场结构的影响,基于CFX数值模拟方法对平面扩压叶栅进行端壁非定常脉冲射流研究,分析射流效果随射流位置、角度和强度的变化规律。结果表明,通过角区脉冲射流可以显著提高叶栅气动性能,仅采用不足叶栅主流0.3%的射流流量,就能使叶栅出口总压损失系数降低28.66%。当射流位于吸力面侧分离起始位置稍下游时控制效果最佳;射流角度、射流强度和射流频率的最佳值分别为α=20°,C_u=110%和F⁺=0.80;脉冲射流具有较好的适应性,在来流冲角i=-8°～+4°内均能降低叶栅损失。脉冲射流主要通过抑制和推迟通道涡和集中脱落涡的发展,减小其影响范围来改善叶栅内的涡系结构。     

引入DMD方法研究有/无控气流分离的动态结构

为分析非定常流动控制技术抑制分离流的机理,对弯曲扩压通道的试验模型进行了数值模拟,针对扩压通道在无控和采用最佳射流频率状态下的计算结果引入了动力模态分解(DMD)技术进行分析。通过DMD技术能够将包含时空信息的扩压通道复杂流场进行分解,捕获流场包含的动力信息和对应的拟序流动结构。将无控和有控流场分解的结果进行对比分析后表明:采用有效激励措施时,和脱落涡频率一致的涡系对流场的影响更加突显,流场整体上表现得更加有序;非定常控制抑制了一部分涡的增长,使得各模态整体上更加稳定;而有控流场占主导地位的涡系结构相比无控流场较为有序,且对主流区未形成明显的直接影响。     

武器舱气动噪声主动流动控制技术风洞试验研究

针对飞机弹舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性等问题,以高速风洞动静态压力测量技术为研究手段,开展了基于脉冲射流激励器（Powered Resonance Tubes,PRTB）的武器舱气动噪声抑制技术试验研究。试验结果表明,试验模型具有典型的开式空腔流动特点,武器舱内部非定常流动引起的声载荷可达到150dB。PIV 试验结果研究表明空腔前缘布置主动脉冲射流激励器对剪切层施加激励,会改变武器舱上部剪切层的流动特性,对这种高强度的声载荷起到一定的抑制作用。     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

超声速来流与侧向射流作用下的三维流场结构

研究超声速流动与侧向射流作用下的三维流场结构对飞行器表面流体分离控制以及超燃发动机燃料混合等具有重要作用。基于大涡模拟(LES)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=4,平板上侧向射流的流场结构特性进行了数值模拟。模拟结果表明,流场内的主要波系由弓形激波、分离诱导的激波以及桶形激波组成,这与相关实验结果相符。同时,计算结果还清晰显示了射流与主流相互作用下,射流上游的分离区流动呈现高度瞬态特性,分离区内旋涡结构不断变化,数目由2个到4个再到6个不断发展,平板表面流线复杂。射流尾涡摆动,涡管上扬,呈现非定常特性。     

零质量射流与分离控制的数值模拟

在非定常可压缩方程的求解当中引入预处理方法、多重网格等加速收敛技术,提高了可压缩方法处理低速问题的效率和精度。利用该方法对两个流动控制算例进行了数值模拟,首先模拟了零质量射流的外部流场,从射流中心线上的速度分布、射流宽度等方面均得到了和实验较为一致的结果。之后模拟了不同控制下的绕二维翼型的分离流动,包括有定常吸气和零质量射流,两种方法都不同程度上使分离泡长度缩小,分离区的压力升高,一定程度上显示了两种方法在分离流动控制上的应用潜力。     

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。     

孔式非定常脉动抽吸控制高负荷压气机叶栅内流动分离的参数研究

为了探索非定常脉冲抽吸在高负荷压气机叶栅中控制流动分离的应用前景,掌握非定常脉动抽吸在不同激励参数条件下的适应性和可行性,首先对非定常脉动抽吸的不同激励参数包括激励频率、位置、前向倾角和侧向倾角进行了详细的讨论和分析。然后,基于最优激励参数,将非定常脉动抽吸与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明:在流动分离的控制中,激励参数起着重要的作用,当激励参数在相应的最优范围内气动性能才能被明显地提升,如果远离相应的最优范围,控制分离的效果将会减弱,甚至导致总压损失增加。当所有激励参数都是其最优值时,在时均抽吸率只有0.4%的情况下,总压损失减小了19%。基于最优激励参数,在相同时均抽吸量的情况下,相比于定常抽吸,非定常脉动抽吸在控制流动分离、改善气动性能上具有更大的优势。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

合成射流激励器流场PIV实验及模态分析

为了获得合成射流激励器流场细节特性,优化合成射流流动控制系统,对于静止流场中的合成射流激励器,通过位移传感器、热线风速仪和时间分辨粒子图像测速（TR-PIV）系统,对激励器时间响应和特定工况下的流场特性进行研究,并针对TR-PIV得到的流场快照运用本征正交分解（POD）和动力学模态分解（DMD）进行模态分析。通过自定义POD和DMD的初值贡献模态和时间系数将两种分析模型标准化并对比,选取前七阶POD模态和前四阶DMD模态进行流场还原,成功表征了原流场的主要信息,表明运用POD和DMD方法进行的降阶过程在合成射流研究中的适用性,降阶模型可以有效指导和简化合成射流流动控制流场的分析过程。     

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。