（航空宇航科学与技术专业论文）合成双射流激励器流场特性及其控制机翼分离流动研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 作为一种新兴的主动流动控制技术，合成射流正日益受到广大科技工作者的 关注。合成射流激励器是合成射流技术发展的核心，其设计水平和工作性能决定 了合成射流技术的应用方向和应用效果。合成双射流激励器作为合成射流技术的 最新发展成果，不仅具有普通单腔体激励器的工作特点，还具有能量利用率高， 结构紧凑、易于小型化，环境适应能力强等优点。 本文采用理论分析与数值模拟相结合的方式，研究了不同激励器结构构型下 的合成双射流流场，及合成双射流在机翼分离流动控制方面的应用。本文的研究 内容和结论主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 数值模拟结果表明合成双射流是由两股相位差为1 8 0 。的射流融合而成， 在整个周期内合成双射流流场中始终存在一对较强的旋涡控制着下游流动。相对 于单腔体合成射流，合成双射流一个周期内具有两个速度峰值，在靠近激励器出 口处合成双射流具有更强的射流“穿透力”，在远离出口的下游，合成双射流具 有更稳定的流动特征和更高的流动速度。 ( 2 ) 通过改变合成双射流激励器左右腔体设计可以实现射流的矢量性偏转，并 且偏转效果随激励器结构参数和驱动参数不同而变化；通过改变两出口间距离的 大小，可以控制两股射流间的融合效果，改变下游流场分布；斜出口合成双射流 可以在近壁面形成一股附壁流，以实现对周围流体有方向性的动量和能量传递。 ( 3 ) 合成双射流对平板流动具有两种不同的影响效果：当射流垂直进入外部主 流时，对主流起到“阻拦”作用，会在激励器出口产生“虚拟气动外形 效应， 并使下游边界层变厚；当合成双射流以一定夹角进入外流时，可以实现对边界层 的动量注入效应，使边界层厚度变薄，速度型更“饱满”。 ( 4 ) 合成射流和合成双射流均可以改善失速状态下的机翼气动特性，合成双射 流具有更好的控制效果和控制能力，对最大升力和失速攻角的增加量都可达到单 腔体合成射流的2 倍。以外部主流流动特征频率倍频和较大动量系数工作的合成 双射流激励器具有更好的改善机翼气动特性的能力。 拟 主题词：合成射流技术合成双射流激励器分离流动控制机翼数值模 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a san o v e lm e t h o do fa c t i v ef l o wc o n t r o lt e c h n o l o g y ，s y n t h e t i cj e ti sa t t r a c t i n g m o r er e s e a r c h e r s a t t e n t i o n t h ea p p l i c a t i o no fs y n t h e t i cj e tt e c h n o l o g yt of l o wc o n t r o l s y s t e mi sb a s e do nt h es y n t h e t i cj e ta c t u a t o r sd e s i g nl e v e la n dw o r kp e r f o r m a n c e a sa n u p - t o - t h e m i n u t er e s u l to ft h es y n t h e t i cj e tt e c h n o l o g y ，d u a ls y n t h e t i cj e t sa c t u a t o rn o t o n l yh a st h ep r o p e r t yo f t h ee x i s t i n gs y n t h e t i c j e ta c t u a t o r ，b u ta l s oh a st h es u p e r i o r i t yo f 1 1 i g he n e r g ye f f i c i e n c y ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，e a s y m i n i a t u r i z a t i o na n d s t r o n g e n v i r o n m e n t a la d a p t a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ef l o wf i e l do fd i f f e r e n ta c t u a t o rs t r u c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o ni n s e p a r a t ef l o wc o n t r o lo fa na i r f o i la r es t u d i e di nt h e o r ya n dn u m e r i c a l ，t h em a i nw o r k i n c l u d e sf o u rp a r t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed u a ls y n t h e t i cj e t sa r em e r g e db yt w oj e t sw i t hp h a s ed i f f e r e n c eo f18 0 d e g r e e ，o nt h ew h o l ea c t u a t o rc y c l et h ed o w n s t r e a mo ft h ed u a ls y n t h e t i cj e t sf l o w - f i e l d i sc o n t r o l l e da l la l o n gb yap a i ro fs t r o n gv o r t e x e s c o m p a r e d 、析t hs y n t h e t i cj e t d u a l s y n t h e t i cj e t sh a v et w ov e l o c i t yp e a k sw i t h i no n ea c t u a t o rc y c l e ，i nt h en e a rf i e l d d o w n s t r e a m ，t h ed u a ls y n t h e t i cj e t sh a v es t r o n g e rj e tp e n e t r a t i o na n di nt h ef a rf i e l d d o w n s t r e a m ，t h em e r g e dj e ti sm o r es t a b l ea n dh a sh i g h e rv e l o c i t y ( 2 ) b yc h a n g i n gt h el e f ta n dr i g h tc a v i t yc o u l dv e c t o rt h ed i r e c t i o no ft h em e r g e d j e t ，a n d t h e d e f l e c t i o ni sv a r i e d 谢t hd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dd r i v e n p a r a m e t e r s ；b yc h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ee x i t sc o u l dc o n t r o lt h em e r g eo ft h e a d ja c e n tj e t ，a n dt h e ni n f l u e n c et h ef a rf l o w - f i e l d ；a ni n c r e a s ei nt h ee x i ta n g l ec o u l d l e a dt oaw a l l f l o wn e a rt h ew a l l ，i tm e a n st h a tt h ee n e r g ya n dm a s sf l u xo ff l u i dn e a r t h ee x i tc o u l db et r a n s m i t t e dh o r i z o n t a l l y ( 3 ) d u a ls y n t h e t i cj e t sh a v et w od i f f e r e n ti n f l u e n c et ot h ef l a tp l a t eb o u n d a r yl a y e r ： i ft h ej e t sa r ei n j e c t e dp e r p e n d i c u l a rt ot h ec r o s s - f l o w ，t h e yw i l lp l a yab l o c k i n gr o l et o t h em a i n s t r e a ma n da l t e rt h ee f f e c t i v es h a p eo ft h eb o d yt h r o u g h v i r t u a la e r o s h a p i n g e f f e c t ，t h e ni n c r e a s et h et h i c k n e s so ft h eb o u n d a r yl a y e r ；i ft h ej e t sa r ei n j e c t e d o b l i q u i t o u s ，t h e yw i l lh a v et h ee f f e c t i v eo fi n c r e a s et h em o m e n t u mo ft h eb o u n d a r y l a y e r ，t h i nt h eb o u n d a r yl a y e rd o w na n dm a k et h es p e e d t y p ef u l l e r ( 4 ) b o t ho fs y n t h e t i cje ta n dd u a ls y n t h e t i cj e t sc o u l dc o n t r o lf l o ws e p a r a t i o no fa n a i r f o i l ，b u td u a ls y n t h e t i cj e t sh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n ds t r o n g e rc a p a b i l i t y ，t h e i n c r e m e n to ft h em a x i m u ml i f ta n ds t a l la n g l eo fa t t a c kc a nb eu pt o2t i m e sh i g h e rt h a n t h es y n t h e t i cj e t t h ed u a ls y n t h e t i cj e t sa c t u a t o r ，w h i c hw o r k s 丽t l l1o r2t i m e so ft h e c h a r a c t e r i s t i c sf r e q u e n c yo ft h ec r o s s - f l o wa n d 谢t hh i g h e rm o m e n t u mc o e f f i c i e n t ，h a s b e t t e ra b i l i t yt oi m p r o v et h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i r f o i l k e yw o r d s ：s y n t h e t i cj e tt e c h n o l o g y ，d u a ls y n t h e t i cj e t sa c t u a t o r ，s e p a r a t e f l o wc o n t r o l ， a i r f o i l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表2 1 合成双射流射流矢量性计算算例2 6 表3 1 不同激励器出口构型下的射流动量系数4 6 表4 1 不同激励器工作频率下的机翼气动力特性6 0 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图 图 图 图 图2 1 4 图2 1 5 图2 图2 图2 图2 图 图 图 图 图3 3 图3 4 0 l 图目录 流动控制分类方式1 升温型电火花式合成射流激励器4 体积压缩型振动式合成射流激励器4 压电式合成射流激励器及其流场纹影图5 改进型压电式合成射流激励器工作原理图5 等离子体激励器。6 脉冲式射流激励器7 振动膜运动简图。1 2 模型i 和x l 模型计算区域及网格1 3 不同计算模型不同时刻距激励器出口) r = l u i l 处速度分布与实验对比1 4 模型i 和x l 模型一个周期内涡量变化等值线图1 5 模型i 下激励器出口速度变化1 6 x l 模型下激励器出口速度变化1 6 合成双射流激励器物理模型及计算区域和网格。1 7 距激励器出口y = 1 i n i i l 处流向速度计算和实验结果对比1 7 合成双射流一个周期内旋涡演化云图1 9 合成双射流一个周期内速度及静压等值线图2 0 合成双射流激励器出口处速度分布2 l 不同时刻合成双射流与合成射流在y = l m m 线上的速度分布。2 2 不同时刻合成双射流与合成射流在y = 4 m m 线上流向速度分布。2 3 不同时刻合成双射流与合成射流在y = 1 2 m m 线上流向速度分布2 3 相邻激励器流场纹影图2 5 不同滑块位置合成双射流速度云图2 5 不同体积比合成双射流激励器构型2 5 不同腔体体积比下合成双射流速度、涡量和静压等值线图2 7 不同激励频率下合成双射流速度、涡量和静压等值线图2 9 不同驱动振幅下合成双射流速度、涡量和静压等值线图3 0 合成双射流激励器出口旋涡对相互作用机制3 2 合成双射流与平板流动作用示意图。3 5 竖直喉道不同出口参数下的激励器计算算例。3 8 不同出口构型下距出口中点l m m 处速度随时间变化3 8 不同出口构型下t = o 7 5 时刻流场速度、涡量和流线图4 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图3 5斜出口合成双射流激励器出口构型4 l 图3 6 不同出口倾斜角度下距出口中点l m m 处速度随时间变化4 1 图3 7 不同时刻不同倾斜角度下出口速度分布4 2 图3 8 不同出口倾角下流场速度、涡量和流线图。4 3 图3 9 有外部主流时合成双射流计算出口构型4 4 图3 1 0 有外部主流时不同出口构型下出口处x 向或y 向速度分布4 5 图3 11有外部主流时不同出口构型下流场涡量云图4 7 图3 1 2 距激励器出口下游不同距离处边界层流动速度分布4 9 图3 1 3t * - - 0 7 5 时刻不同出口构型下激励器出口处流线图4 9 图3 1 4t 幸= o ( 1 ) 时刻不同外部来流条件下的激励器出口处流线图5 0 图4 1n a c a 0 0 1 5 对称翼型及激励器布置位置5 2 图4 2 机翼及激励器求解区域5 3 图4 3 机翼前、后缘及激励器出口附近网格。5 3 图4 4r e = 7 x1 0 4 机翼气动力随攻角变化曲线5 4 图4 5 合成射流合成双射流控制下的升、阻力特性比较5 5 图4 6 不同攻角无控制及合成射流合成双射流控制下流场静压等值线对比5 6 图4 7 无控制及合成射流合成双射流控制下流场流线对比5 7 图4 8a = 1 9 。时无激励器控制下的流场流线图5 8 图4 9 户1 6 0 h z ，a = 0 4 m m 控制下的流场流线图5 9 图4 10f = 5 0 0 h z 时流场流线图6 0 图4 1 l不同动量系数对升力改善效果的影响6 1 图4 1 2t 幸= o ( 1 ) 时刻不同设流动量条件下翼面静压等值线图6 2 图4 1 3t 幸= o ( 1 ) 时刻不同射流动量条件下翼面压力系数分布：6 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 符号说明 激励器出口宽度 d 一一激励器两出口间距离 一一激励器出口喉道深度 矽一激励器腔体直径 激励器腔体深度 攻角 机翼弦长 虬一 u j e t 一以翼型弦长为特征尺度的雷诺数 一自由来流速度 h f - c f + c p 激励器出口射流速度 射流与机翼上表面夹角 升力系数 阻力系数 无量纲时间 激励器出口宽度 激励器振动膜工作频率 机翼流动特征频率( 玑c ) 无量纲频率厂z 无量纲动量系数2 ( h c ) ( u 埘砜) 2 翼型表面压力系数 第a 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：佥盛丞数速邀邈墨速垣挂性丞甚控剑扭翼佥妾速边丑究 学位论文作者签名： 一趟日期：卯哆年，f 月为日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：墨整 作者指导撕懿：至! 1 2 坐 日期：力哕年f ，月刀日 日期：1 年m 珈 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 流动控制技术及其实现 未来2 0 年空气动力学发展面临的四大挑战和机遇包括：先进飞行器概念、自 适应流动控制、噪声控制、先进的分析和设计工具【l j ，这其中自适应流动控制和噪 声控制同属流动控制范畴。流动控制是流体力学的分支，也是流体力学研究的前 沿，已经越来越成为航空航天、航海和工业领域研究的热点。2 1 世纪的空气动力 学将在流动控制领域取得重大突破1 2 j 。 流动控制是通过对运动流体施加力、质量、热能、电磁等物理量来改变原来 的流动状态，从而使得流动在时问和空间的分布满足所需要求。其作用和目的包 括：延迟提前转捩、抑n 增强湍流、阻止促进分离、增升减阻、增强掺混或传热、 抑制流动诱导噪声等【3 j ，因此流动控制具有广泛的应用前景。流动控制技术的研究 开始于2 0 世纪初普朗特对边界层的发现。之后的时期内，尤其是在第二次世界大 战和冷战期间，由于军事方面的需求，流动控制技术得到了快速而全面的发展。 l a c h m a n i 4 1 、g a d e l h a ke ta l e 5 】和b u s h n e l l t 6 】都对流动控制技术进行过较为全面的总 结和分析。 流动控制技术 被动控制主动控制 预设控制模式l l 交瓦反馈模式 陟前反馈模式习匿藤反馈模式1 基鎏壁蕉剖隧量塑堡蓬型墼鳖塑i 医至塑查垂笙堕塑剑隧篓兰邀 图1 1 流动控制分类方式 流动控制按照不同的分类方式具有不同的分法，基于能量消耗和控制环路的 不同，大致可分为图1 1 所示的方式【7 j 。无需额外能量消耗的控制方式称为被动控 制。流动被动控制技术主要是通过改变流动环境，如边界条件、压强梯度等来实 现控制流动的目的。其主要特点是控制简单、易于实现，被动控制装置比较轻巧， 设计、制造成本较低，更易于工程实际应用，但是被动控制只有在有限的设计状 态范围条件下，才能达到最佳控制状态，当实际流动偏离设计状态时反而会使系 统性能恶化。目前应用较多的被动控制装置主要有涡流发生器、边条襟翼、定常 吹吸气装置等。大多实际工程流动均含有复杂的非定常运动( 非稳态性、湍流) ，基 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于旋涡运动的流动控制4 是流动控制的中心任务，流动控制在很大程度上是对旋 涡和剪切流的控制。有辅助能量引入的主动流动控制即是在流动环境中直接注入 合适的扰动模式，以与系统内在模式相耦合达到控制目的，这就从根本上克服了 利用被动方式进行流动控制的局限性。相对于被动控制，主动流动控制技术的优 点在于：一可以对复杂动力系统进行精确的相位控制；二可以仅在流场的临界点 进行集中的能量输入，即控制临界点的流动就可以控制整个流场【8 】。同时主动流动 控制具有更高的控制效率，利用边条襟翼减少湍流边界层下飞行阻力的实验和 d n s 数值模拟都表明，依赖于襟翼几何外形的不同，可以使阻力减少5 9 ，但采 用甚至最简单的主动控制方式在同等条件下都可以达到1 5 2 5 的减阻效果1 9 j 。 激励器作为主动流动控制的作动部件，是实现主动流动控制的关键。近年来 随着微机电技术和压电陶瓷等新材料技术的进步，已得到了重大发展。原理上， 激励器主要有声学、机械、流体三种形式【l0 。声学激励器的典型是扬声器，在流 动稳定性实验中曾广泛应用，其优点是声波产生方式简单，频带较宽，控制易于 实现，缺点是对射流的扰动要通过后缘效应等原理间接起作用，控制效果、特别 是对高速射流流动的控制难以达到工程需要；机械式激励器中比较典型是振动平 板，其优点是直接通过平板边缘引出的涡波与流体耦合，对流体的作用明显，但 受结构限制，扰动频带较窄，适应不同流动工况的能力较差；流体激励器是近年 发展起来的一种新的主动流动控制方式，以合成射流( s y m h e t i ej e t ) 技术为代表，用 少量与被控流动相同的流体为工作介质，通过交替吹吸气的方式对主流流动进行 扰动，其特点是激励器的频率范围较机械式激励器大幅提高，激励效果较声激励 器要好。本文研究的合成双射流激励器就是流体式激励器中合成射流技术最新发 展的研究成果，高集成化、强适应性和高能量利用效率，使其具有较强的工程实 际应用潜能。 1 1 2 合成射流技术 “旋涡是流体运动的肌腱叫_ u c h e m a n 【1 1 】。流体运动中存在着涡说明流体 在运动中具有某种程度的不稳定性，这种不稳定性在数学上称为流体运动的非线 性。旋涡运动( 非线性) 理论为流动的主动控制提供了新的途径。它是通过改变旋涡 运动的动力学模式来控制宏观的湍流运动，即直接、主动的向受控的环境流体中 注入大量微尺度的扰动并直接耦合进宏观大尺度的流动中，进而影响、控制宏观 大尺度流动。合成射流技术就是一项基于混沌理论及非线性复杂系统不稳定性理 论，采用流体激励器进行流场主动控制的新技术。 合成射流技术的发展可以追溯到2 0 世纪中后期声学整流效应的发现。该效应 最先是由r a y l e i g h 用数学方法处理孔特测尘管中的声学现象时发现的【i 引，在随后 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的研究中人们发现，在诸如管道或空腔等具有有限出口的狭小空间中，具有方向 性的流动都可以导致了声学整流效应。声学整流效应产生的流动可以将一定动量 注入到环境中而质量通量为零，由于射流同时具有合成特征，因而被称为零质量 射流或合成射流。i n g a r d 与l a b a t e t l 3 】采用声学整流效应方式观察到了射流的产生； l e b e d e v a l l 4 】采用高幅振荡的声波获得了最大速度约1 0 m s 的射流；2 0 世纪7 0 年代 c o l e s 提出并在其后的实验中实现了通过控制未充分发展旋涡相干结构的融合来 “合成”湍流剪切流【”1 ；南京航空航天大学的明晓教授在用声波控制分离流动的 过程中发现了一类强烈的声学整流效应【1 6 1 ，并且发现当激励器的驱动频率等于 5 0 h z 时，在喷管出口形成了一股合成射流。 2 0 世纪9 0 年代中期起，以合成射流为主导的主动流动控制技术迅速成为流动 控制的研究热点，合成射流技术被广泛地应用于不同的控制领域以实现不同的控 制目的【1 7 2 2 】，这同时又决定了合成射流激励器的发展方向并促成了不同合成射流 激励器类型的出现【2 3 - 2 6 】。 1 2 合成射流激励器及其在分离流动控制中的应用 1 2 1 合成射流激励器及发展需求 合成射流激励器作为产生合成射流的作动部件，其研究是合成射流技术发展 的核心问题之一。 合成射流激励器本质上是一种能量转换装置【2 7 】，射流的形成都需要在激励器 出口建立压差凹。根据理想气体状态方程，激励器腔内压强可表示为： p = n l c o r y ( 1 1 ) 又由气体质量m 和气体摩尔质量m 间的关系n = m m ，式( 1 1 ) 可表示为： p = m r o t m v( 1 2 ) 由此改变腔体压强的关系式为： _。 等：竺一坐+ ( 塑一坐) ( 1 3 ) 一= 一叶- i - 1 】- 尸tv、mm 7、 对应腔体增压的三种方式，合成射流激励器可以分为三种基本类型及其组合 型：( 1 ) 升温型；( 2 ) 体积压缩性；( 3 ) 加质型；( 4 ) 组合型。为实现合成射流对外 部流场的有效控制并保证使用的方便灵活性，人们发展和研究了多种不同类型的 合成射流激励器，这其中比较具有代表性、技术较为成熟、应用前景较为广阔的 激励器主要有以下几种： ( 1 ) 升温型 为了获得高能高动量合成射流，对高速( 超音速) 流动施加有效控制，约翰 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 12 所示。 口 j 臻j ! s 絮。 国l2 升温型电火花式台成射流激励器 该激励器工作过程可以分为三个阶段：能量储存阶段、气体喷射阶段和气体 再吸入阶段。工作原理是：利用布置在腔体上下底面通有高压电流的火花塞放电。 迅速加热腔内气体，气体急剧升温膨胀，腔内压强迅速升高，气体在出口壅塞高 速喷出，形成高速高能合成射流。根据文献 2 8 ，采用这种激励器可以形成超声速 射流( 最大速度可达5 0 0 r e s ) ，具有高能量的合成射流完全可以穿透像激波这样的强 剪切层，从而为台成射流直接对超声速流进行控制提供了可能。但由于对如何实 现激励器较高频率和较长时间工作存在困难，目前还没有对其应用的相关报道。 同时，激励器工作时腔体温度高、压强大，对激励器材料要求很高，也限制了激 励器的发展。 ( 2 ) 体积压缩型 体积压缩型激励器的结构主要有两部分组成：开孔( 或缝) 的激励器腔体和能 动部件( 能量或振动部件) 。能动部件是激励器的核心部件，它将输入的电能或其 他形式的能量转化为能动部件的能量并通过激励器腔体转化为合成射流动能。 _ 等i _ f 一二j ； f 1 | - 。 n m 目 | _ ：u ? 互r 广宦一一】 j ：o ： 。 * 自m t ： - l 一 ：e m # m n 自 穿。鼍2 砑1 1 一 纠 一 - “ 一溢：二二：= 二一。 l 二二：l 三二：、 剧i3 体积压缩掣振动式台成射流激励器 第4 页 罩 ? o，蓦 国防科学技术太学研究生院硕士学位论文 根据振动部件的振源不同，体积压缩型激励器可分为：压电膜振动式口5 , 2 9 1 、 活塞振动式【矧、声激励振动式p o - 3 2 i 、形状记忆合金膜片振动式“i 、聚偏二氟乙烯 膜振动式激励器p “等，结构简图如l3 所示。 由于压电膜式激励器结构简单、工作频带宽、响应迅速、可重复使用性好， 是目前研究最多、应用最广泛的一种合成射流激励器。图14 是乔治理丁大学的 a r ig l e z e r 教授领导的小组首先研制成功的一种典型的、也是最一般意义上的压电 式体积压缩型合成射流激励器口4 i 。其工作原理为：施加周期性激励信号后，压电 陶瓷片发生逆压电效应，腔体底部柔性薄膜随之发生周期性振动，将输入的电能 转化为薄膜振动的动能，从而在激励器开口窄缝处产生非定常射流。 埘 j l = t 一， ：广 o 。二 图14 压电式合成射流激威器及其流场纹影图 为了提高合成射流的喷射速度，增强合成射流激励器的控制能力，同时提高 能量利用效率和激励器易集成化程度，在g l e z e r 教授合成射流激励器基础上，又 发展出了不同结构的激励器，其工作原理示意图如图l5 所示。 振动膜2 合成射流 件一 振动膜 滑堤 合成射流 ( a ) 般膜合成射流激励器m 台成取射流激励器 图i5 改进犁压电式台成射流激励器工作原理图 图l5 ( a ) 双膜合成射流激励器的改进之处在于其腔体由两个振动膜组成，这就 增大了振动膜工作时对腔体的压缩量，可以形成更强的射流，但这同时也造成了 激励器工作时所需能量的增加，而且与图1 _ 4 所示的激励器一样，振动膜两侧分别 处于受控流场和环境流场中，当两流场间压差较大时，会造成振动膜压载失效， 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 不能有效起振。在这里着重介绍的是改进后的合成双射流激励器，它是由罗振兵 首先提出并进行应用研究的新一代合成射流激励器【27 | 。相比于其它类型压电式激 励器，合成双射流激励器具有如下优点：合成双射流激励器两个腔体共用一个振 动膜，可以有效避免受控流场和环境流场间压差引起的振动膜压载失效问题，且 充分利用了振动膜双向振动的能量，提高了能量利用效率。同时由于两个腔体共 用一个振动膜，使得两腔体总体积变化量始终为零，即对不可压缩流体，合成双 射流激励器工作在任何时刻其出口总的质量流量始终为零，因此，合成双射流激 励器可以实现真正意义上的零质量射流。另外合成双射流激励器可以形成能量水 平相对较高的射流，具有更紧凑的结构设计，同时不同腔体和出口构型的激励器 还具有不同的射流流动特性，可以用以实现不同的流动控制目的。这些特性都使 得合成双射流激励器更有实际应用前景和理论研究意义。 ( 3 ) 等离子体激励器 等离子体合成射流激励器是有别于传统激励器的一种新概念合成射流激励 器，其射流的产生不需要腔体，基本组成及工作原理图如1 6 所示。 图1 6 等离子体激励器 射流形成的机理为：等离子体激励器上下表面的电极与高压高频电源相连， 等离子体激励器表面附近的空气在电极间强电场作用下电离形成等离子体，等离 子体中的正负离子在空间电场的作用下，沿电场梯度运动，离子在运动过程中与 环境空气分子相碰撞，发生动量交换，对周围空气分子产生质量力作用，诱导激 励器表面的空气分子做定向运动，从而改变激励器安装表面的压力分布，形成射 流【3 5 , 3 6 。 由于等离子体激励器体积小、结构简单，使用中可以不改变或较小改变安装 表面的设计形状，对实现受控部件结构最优化设计不会产生较大影响。目前国内 外已开始进行等离子体合成射流激励器在流动控制方面的研究，但结果表明等离 子体激励器形成的射流速度在0 ( 1 ) 的量级，只有当外部流动速度很低( 1 0 i t l s ) 时才 可以产生较为有效的控制作用【3 m 9 1 。同时由于电离氧化效果，使得激励器电极和 绝缘平板的使用寿命也受到限制，这些都制约了等离子体激励器的发展和使用。 ( 4 ) 其他类型激励器 除上述几种激励器外，人们还提出了其他一些基于不同理论的新型激励器， 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 如图1 7 是k l a u sb r e m h o r s t 等人提出的一种脉冲式射流激励器1 4 川，该激励器的主 体是由一个盒体和一对反向定轴旋转的非完整齿轮组成。当两齿轮相互啮合时， 通道中的气流不能通过，通道打开时右边可以形成脉冲式射流流动。该激励器工 作时需要气源，出口处质量流率不为零。 图1 7 脉冲式射流激励器 另外一种有前途的激励器类型是集成电路式的压电拍激励器，c a t t a f e s t a 采用 这种激励器进行了空腔噪声控制，并取得了较好的控制效果；还有一种是采用洛 伦兹力的激励器，n o s e n c h u c k 等利用实验对该类激励器进行了研究，d o n o v a n 等 对其工作特性和流场做了详细分析【4 。 合成射流激励器在实际应用中的工作环境大都是高速流动或超声速流动。对 于高速流或超声速流其流动特征频率高、能量密度大，要对其实施有效流动控制 则需要相应激励器同时具有高频、高能的工作特性。同时为了不改变受控飞行器 或其他机械装置的气动外形，实现一体化设计，激励器还需要满足易于微小型化 的要求。综合以上应用需求，决定了激励器发展的两个主要方向：一是开发新型 高能、高效合成射流激励器以满足对不同流动环境的控制要求；二是合成射流激 励器的微型化、小型化。 上述几种激励器部分经过长时间的实验室研究阶段，已经在工程实际中得到 了应用，但工作环境依然是低速流动。合成双射流激励器作为新发展出的一种新 型激励器，在能量水平、工作频率范围、环境适应性和易集成化程度都代表了合 成射流激励器的发展趋势，理论上具有更大的应用空间，但目前对合成双射流激 励器流场特性和应用技术的研究开展不够充分，对合成双射流流场特性认识不足， 其潜在应用有待开发。 1 2 2 合成射流激励器分离流动控制应用研究 合成射流技术的应用领域非常广泛【4 2 1 ，本文主要进行其在流体边界层控制方 面的研究。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 边界层是由流体速度为零的壁面到外部的自由流区域问存在的一个薄层。在 边界层内速度梯度很大，这就意味着边界层内具有较大的摩擦阻力和较强的旋涡 运动【4 3 】。边界层流场存在有层流和湍流两种状态，当边界层的逆压梯度达到一定 的值时，可能会出现边界层流动从物体表面脱离的现象，即边界层分离m 】。抑制 或推迟边界层分离、减小边界层厚度实现边界层内减阻是边界层控制的两个主要 方向，研究结果表明，合成射流技术可以很好的实现上述两个目的。 l e e 和h o n g 等人对无外部来流的合成射流激励器流场和有外部来流时的逆压 梯度边界层分离控制进行了实验研究【4 5 】。结果表明，当激励器以外部来流固有频 率工作时可以显著改善边界层速度分布和边界层内的湍流度，同时指出相对于驱 动电压，激励频率是影响边界层分离控制更重要的因素。为了实现有效控制， 激 励器出口处速度要足够大以产生足够强的纵向旋涡。 m i t t a l 等人采用数值模拟的方法研究了激励器结构参数和外部来流情况对平 板边界层流动的影响【4 6 , 4 7 】。研究表明，不同的激励器结构参数具有不同的流场特 征，激励器对外部流动的控制效果取决于激励器出口速度和外部来流速度之比。 还发现当有外部来流时，激励器“吹 、“吸 冲程表现出明显的不同流动特征， 在激励器出口附近合成射流可以起到“等效气动外形”的作用。 目前针对飞行器机翼分离流动的控制技术主要包括优化翼型型线、设计专用 翼型或者加入定常吹吸气等方法。而机翼在大攻角下的分离流动又具有强烈的非 定常性，非定常的流动分离控制方法也就越来越受到人们的重视。总的来说非定 常的流动控制方法主要有两种：一种是机翼整体的非定常运动，如水平、沉浮和 俯仰振荡【4 8 5 0 】，另外还包括机翼的局部机械式扰动，如在机翼前缘安装活动装置 【5 、采用振荡襟翼【5 2 j 等；另一种是施加有效的外部激励，即引入各种形式的外部 扰动，如声学扰动【5 3 1 、电磁扰动【3 7 - 3 9 , 5 4 1 及非定常质量注入【5 5 踟】。其中非定常质量 注入又是所有非定常流动控制中研究最多、控制效果最好的方法。 合成射流技术就是一种非定常质量注入的流动控制方法，计算及实验结果 2 2 , 5 5 5 7 】均表明合成射流可以显著提高机翼的失速攻角，提高最大升力，在不增加 飞行器机械重量和结构复杂性的条件下提高升阻比、减小飞行器有效雷达辐射面 积，还可以减弱飞行器噪声和热辐射，提高飞行器的机动性和灵活性。 g i l a r r a n z 等人设计了一种活塞式合成射流激励器，其射流最大速度可达到 1 0 0 m s ，并将其用于机翼边界层分离流动控制研究【5 5 , 5 6 】。结果显示，在小攻角状态 下上翼面流动不发生分离时，激励器对机翼的气动性没有明显影响，并且对翼面 上静压分布的影响仅限制在2 5 弦长范围内；当攻角增大，激励器的加入可以延 迟上翼面的流动分离，使得最大升力系数提高8 0 以上，失速攻角从1 2 。提高到 1 8 。试验中还发现在不同的攻角范围内，为实现有效控制所需的激励频率不同。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 y a n y uh e 等人采用数值模拟的方法研究了激励频率、射流出 j 角、射流动量 系数和激励器布置位置等因素对机翼边界层分离流动控制的影响【，丌。结果发现， 激励频率是控制效果的一个关键因素，两激励器只要具有相同的动量系数就可以 实现一样的控制效果，当激励器布置在分离点附近时具有最佳的控制效果。 最近对等离子体激励器在边界层分离流动控制方面的研究也越来越受到人们 的重视。m a r t i q u a 等人采用实验的方法研究了等离子激励器在控制n a c a 6 3 3 0 1 8 翼型分离流动方面的应用【5 4 1 ，国内西北工业大学5 9 1 、空军工程大学6 0 , 6 1 】、北京航 空航天大掣弼】等单位均开展了相关研究，并取得了较好的控制效果。 综合合成射流激励器在控制边界层分离流动方面的研究，m i t t a l 4 6 】指出合成射 流控制边界层分离的主要机制有：( 1 ) 激励器产生包含有高动量和强涡量的流动， 这些流动注入到分离区可以实现边界层再附；( 2 ) 对于层流分离流动，激励器以高 于流动固有频率条件工作，可以实现边界层的提前转捩，由于湍流边界层不易分 离从而可以延迟分离；( 3 ) 在激励器出口附近外流区域可以形成比激励器出口尺寸 大得多的回流区，起到“等效气动外形”的作用。 作为一般合成射流的改进型合成双射流，其优越的工作特性、较强的射 流形成能力有望达到更好的流动控制效果。 1 3 本文主要研究内容 作为对合成双射流激励器流场特性和实际应用的探索，本文采用激励器全流 场计算模型x l 模型对不同腔体结构和出口构型的合成双射流激励器流场进行 了系统研究，并开展了合成双射流在平板边界层和机翼分离流动控制中的应用研 究，其具体工作安排如下： 第二章，对激励器流场进行数值模拟研究。首先对比分析了激励器出口动边 界计算模型和全流场计算模型x l 模型对合成射流流场模拟结果，选择一种更能 真实反映激励器流场的计算模型。以所选激励器计算模型为基础，研究合成双射 流流场的发展、演化过程，并与单腔体合成射流进行流场对比。鉴于合成双射流 所具有的独特的射流矢量性，同时开展了非对称腔体射流矢量性研究。 第三章，通过改变激励器出口构型，研究了竖直出口喉道条件下不同激励器 出口间距和不同出口喉道深度对射流流场的影响，以及具有出口倾角条件下射流 流场的变化。提出了合成双射流流动特性的评价准则，并以此为标准分析了有来 流条件下，不同激励器结构参数对射流特性的影响。在上述成果的基础上，研究 了不同激励器结构参数和来流条件对平板流动边界层控制的影响。 第四章，对合成射流合成双射流改善机翼气动特性进行了对比分析，并着重 研究合成双射流不同控制参数对控制效果的影响，以指导合成双射流的实际应用。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章合成射流合成双射流流场数值模拟及对比分析 目前对合成双射流激励器流场特性还缺乏较深入、系统的研究，对激励器内 外流场的发展和射流最终的融合机理还不够了解，为实现合成双射流激励器的实 际应用，必要的机理性基础研究是需要的。为此本章将通过数值模拟的方法研究 合成双射流激励器流场发展、演化过程，对其工作特性和流场特性进行分析，并 且通过改变激励器腔体设计，研究不同激励器构型所具