合成射流激励器阵列实现共轴射流掺混控制研究

文中分别对单列和多列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟,通过对其温度场分布和掺混过程进行分析,探讨激励器阵列进行掺混控制的机理。在研究过程中,考虑了相邻合成射流的影响。结果表明,激励器的采用使得整个流场的非定常性增强、湍流度增大,从而增强了共轴射流及其与周围流体间的掺混;两列激励器较单列激励器相比,前者具有更强的控制能力,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故。     

合成射流激励器实现共轴射流掺混控制

对多排列合成射流激励器控制共轴射流掺混流场进行了详细的二维非定常数值模拟。结果表明,激励器的采用可以增强共轴射流的掺混效果;相邻合成射流产生涡对在孔口处经过相互耦合,形成了更强的旋涡对,并以一种新生合成射流作用周围流场;两排激励器较单排激励器相比,前者控制掺混能力更强,这主要是由于相邻合成射流比单个合成射流有着更显著作用力的缘故。     

新型合成射流流动控制激励器的流场特征

合成射流激励器是合成射流技术发展的一个核心问题.本文通过数值模拟方法对一种新型合成射流激励器的流场特征进行了研究.该新型合成射流激励器是一种真正意义上的零质量射流激励器,新型合成射流激励器与常规合成射流激励器的流场特征相比有诸多不同之处,其不同之处在于:出口下游近区合成射流流场特征更复杂,远区流场特征与定常流更相似,合成射流流动的特征频率增加一倍.新型合成射流激励器在合成射流激励器现有应用领域,如射流矢量控制等方向等具有取代现有合成射流激励器的潜力;同时,新型合成射流激励器可以实现现有合成射流激励器不能实现的功能,必将进一步拓展合成射流技术的应用领域,如连续定常流传输等.     

膜片激励器控制同轴射流掺混的试验

利用试验方法研究合成射流激励器对同轴射流掺混控制的作用效果,探索在激励器控制作用下掺混效率的变化规律和流动结构,分析了掺混效果被控制的物理机制。利用激励器零质量射流大幅度提高内外涵道射流的掺混效率,缩短高速区的长度,流动掺混更均匀。     

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。     

应用合成射流技术增强燃气/氧气掺混

为增强燃气／氧气的掺混，基于旋涡系统的非线性控制理论，在合成射流激励器的简化模型基础上，对激励器组处于不同工作情形下增强燃气／氧气的掺混流场进行了数值模拟和分析比较，结果表明：合适的激励器工作组可以显著增强燃气／氧气的掺混程度及换热，合成射流的控制效果与激励器的布局、强度和相位等密切相关。     

合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离数值模拟研究

为了探究合成双射流激励器及出口射流参数对圆柱绕流流动分离的控制效果,首次对合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离进行了数值模拟。数值计算结果显示:保持激励器出口射流振幅不变的条件下,出口射流频率等于尾迹涡脱落特征频率时,射流控制作用与绕流流场耦合效果最好,控制流动分离效果最佳;保持出口射流频率为尾迹涡脱落特征频率时,在数值计算测试范围内,随着射流振幅的增大,射流对于流场的动量掺混能力增强,控制效果也随之增强。机理分析表明:合成射流位于前驻点的控制,主要通过在圆柱前缘形成虚拟气动外型来达到减阻控制的效果;而合成射流位于后驻点的控制,主要是通过增强回流区的动量掺混来提高回流区抑制分离的能力,从而达到减阻控制的效果。     

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。     

内管射流占优时轴对称共轴射流结构分析

以轴对称Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程模拟了内流占优条件下轴对称共轴喷嘴射流流场,并基于湍动能、速度和压强等流场参数的变化规律,将这类流场划分为交汇段、初始段和主流段等三个区段,给出三段流场的结构特征和流动机理,发现初始段内湍流动能大大低于单管射流,将导致共轴射流噪声低于单管射流;主流段内湍流动能则高于单管射流,将加强射流的掺混作用.将流量计算结果与试验结果进行了对比,证明使用的算法是有效的.      

自维持合成双射流对超声速燃烧室凹腔质量交换特性影响研究

为了改善燃烧室凹腔与主流的掺混性能,提出了一种利用凹腔内压力差形成自维持合成射流的流场控制方法,在超声速冷流条件下,采用动网格技术对激励器的膜片振动过程进行模拟,详细分析了自维持合成双射流与凹腔相互作用的过程,研究了激励器出口位置、参数、凹腔构型以及来流Ma数等参数的影响。结果表明:加入自维持合成双射流激励器可以大幅提升凹腔的质量交换特性,减小气体在凹腔内的驻留时间;且激励器出口位置分布对控制效果影响较大,当激励器出口位于凹腔底部中间位置时,质量交换率最大能够提升49%。此外,凹腔构型以及来流条件都会影响自维持合成双射流对凹腔掺混的控制效果,在相同来流条件下,凹腔长深比越大,控制效果越显著,自维持合成双射流能使长深比L/D=7.76的凹腔质量交换率提升115%;对于同一凹腔,随着来流马赫数增加,激励器对凹腔质量交换特性控制效果提升更为明显,但改变振动膜片的振幅和频率对控制效果的改善不明显。     

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.      

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。     

CONTROL OF TWO DIMENSIONAL JETS USING MINIATURE ZERO MASS FLUX JETS

Zero mass flux jets, synthesized by acoustic actuators, have been used for the purpose of jet mixing enhancement and jet vectoring. Zero mass flux jets composed of entirely entrained fluid allow momentum transfer into the embedding flow. In the present experiments, miniature-scale high aspect ratio actuator jets are placed along the long sides and near the exit plane of a primary two-dimensional jet. In different modes, the primary jet can be vectored either towards or away from the actuator jets and the jet mixing is enhanced. The disturbance of the excitation frequency is developed while the unstable frequency of the primary jet is completely suppressed.     

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。     

自耦合射流激励同向气流掺混的数值研究

针对同向两股气流掺混的某一特定物理模型,对自耦合射流作用下的气流掺混过程进行了数值模拟研究以揭示激励参数对于同向两股气流掺混的影响.与未施加自耦合射流激励的掺混过程相比,自耦合射流周期性的吹/吸诱导流场内产生复杂的大尺度涡系结构,使得同向两股气流形成对流型混合,有效缩减了主流核心区长度;随着自耦合激励器驱动频率和驱动振幅的增大,自耦合射流出口附近的涡强度增强,同向两股气流掺混效果得到有效改善.      

辅助进气激励器强化喷流混合的数值模拟

对采用高动量的辅助进气激励器和“常规”激励器强化的高速、大尺度喷流混合进行了数值模拟研究。对比了辅助进气激励器和“常规”激励器吹气射流对流向涡、喷流拍动、阻塞面积的影响,分析了合成射流强化喷流混合的流动滞后现象。结果表明:合成射流强化喷流混合中的辅助进气激励器在吹气时间、吹气动量、峰值动量比方面要明显优于“常规”激励器。合成射流强化喷流混合由激励器迟滞和流场迟滞两部分组成。“常规”激励器和辅助进气激励器射流峰值动量都滞后于活塞峰值速度时刻19.5%,流场滞后峰值动量时刻5%左右。相比于“常规”激励器,采用辅助进气激励器的“小突片”堵塞面积较大,强化喷流混合的效果更好。      

Control of coaxial jet mixing

The results of studying control of jet mixing through the action of microjets on the mixing layer are presented. The influence of different design and operating parameters upon the development and propagation of coaxial jets was examined. This paper completes the series of publications [1, 2] concerning scientific investigations at Kazan State sTechnical University (KSTU)-Kazan Aviation Institute (KAI).