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。     

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。     

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。     

合成射流速度特性的实验研究

利用热线风速仪，测量了某受激扬声器产生的合成射流的速度大小。详细测量了频率、功率、波形、空间距离等对合成射流平均速度、最大速度的影响。测量结果表明，所研究的合成射流激励器能够产生很大的射流速度：平均速度与最大速度分别达到42．5m／s和117m／s。合成射流速度强烈依赖于激励频率，测得3个共振频率分别为750Hz，1600Hz和2700Hz，在偏离共振频率时合成射流速度迅速减弱。     

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。     

活塞式合成射流激励器效率分析与改进研究

为了研究活塞式合成射流激励器的效率,对所设计的一种活塞式合成射流激励器进行了轴对称非定常数值计算。研究发现,活塞式合成射流激励器的效率在44.9%~67.7%之间,其电能利用率高达21.6%~32.5%,高于电火花式合成射流激励器的电能利用率。研究表明,合成射流孔直径越小或者激励器频率越大,激励器效率越高;而压缩比较大时,压缩比对激励器效率的影响不大。另外,采用辅助进气结构,不仅能减小活塞做功,还能增大射流动能,使激励器的效率由59.59%提高到112.93%。     

等离子体合成射流激励器及其流动控制技术研究进展

等离子体合成射流(PSJ)激励器是通过半封闭容腔内电弧放电的温升及压升作用产生高温高速零质量射流的装置,具有射流速度高、边界层穿透能力强、响应速度快、激励频带宽、无活动部件等优势,是一种应用前景广泛的新型主动流动控制激励器。对等离子体合成射流激励器近些年来的研究进展进行了综述,重点综述了激励器在增大控制能力、提高能量效率、拓展环境适应性等方面所进行的优化设计,介绍了激励器研究中所发展的创新手段,并对激励器的能量效率特性和参数影响规律进行了归纳总结。重点综述了等离子体合成射流激励器在横向主流干扰、分离流控制、激波控制、激波/边界层干扰控制等应用领域的研究进展,深入探讨了等离子体合成射流与横向主流、分离泡、激波等典型流场结构的耦合作用机理,分析了等离子体合成射流主动流动控制存在的动量注入效应、冲击波效应、局部加热效应等复杂作用机制,并对未来的研究方向进行了探讨。     

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。     

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。     

斜出口合成射流激励器横流输运特性与边界层控制

研制了一种斜出口合成射流(BSJ)激励器,应用粒子图像测速(PIV)技术获得了合成射流的瞬态和时均流动结构,分析比较了斜出口和常规平直出口激励器流场的异同。该斜出口激励器能将周围气体进行有方向的能量和质量输送控制,时均流场呈现沿壁面的横向流动输运特性。解释了横向流动输运的形成机理,并应用该激励器进行了边界层控制实验。研究结果表明:通过改变激励器的工作电压和频率,可方便有效地实现对平板边界层速度型的调控,使受控边界层速度型更"饱满",这对控制推迟边界层分离非常有利。     

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。     

压电驱动自耦合射流冲击冷却特性的实验

利用热线风速仪测量了二维狭缝自耦合射流的速度和湍流度变化,获得了激发器输入电压、频率对自耦合射流的影响规律,获得了激发器的最佳激励电压和频率值;并将自耦合射流应用于冲击换热,通过红外热像仪得到了不同加热功率下加热靶板对流换热系数分布。实验结果表明:(1)在冲击间距比小于20时,射流处于发展区内,冲击冷却效果较差;(2)冲击间距比大于20以后,射流完全形成并趋于稳定后,冲击靶板的换热效果较好;(3)但由于射流速度随着距离增大而衰减,换热效果在冲击间距比为80时达到最佳。      

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。     

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

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。     

Jet Vectoring Control Using a Novel Synthetic Jet Actuator

A primary air jet vectoring control system with a novel synthetic jet actuator (SJA) is presented and simulated numerically. The results show that, in comparison with an existing traditional synthetic jet actuator, which is able to perform the duty of either “push” or “pull”, one novel synthetic jet actuator can fulfill both “push” and “pull” functions to vector the primary jet by shifting a slide block inside it. Therefore, because the new actuator possesses greater efficiency, it has potentiality to replace the existing one in various appli- cations, such as thrust vectoring and the reduction of thermal signature. Moreover, as the novel actuator can fulfill those functions that the existing one can not, it may well be expected to popularize it into more flow control systems.