【毕业学位论文】圆柱尾迹诱导平板边界层旁路转捩及主动控制的实验研究

中图分类号O3574论文编号10006BY1005145圆柱尾迹诱导平板边界层旁路转捩及主动控制的实验研究作者姓名何国胜学科专业流体力学指导教师王晋军教授培养学院航空科学与工程学院博士学位论文EXPERIMENTALINVESTIGATIONONCIRCULARCYLINDERWAKEINDUCEDFLATPLATEBOUNDARYLAYERBYPASSTRANSITIONANDITSACTIVECONTROLADISSERTATIONSUBMITTEDFORTHEDEGREEOFDOCTOROFPHILOSOPHYCANDIDATEHEGUOSHENGSUPERVISORPROFWANGJINJUNSCHOOLOFAERONAUTICSCIENCEWHENTHEGAPRATIOISMODERATEG/D15ANDG/D20,THESECONDARYVORTEXINDUCEDBYTHEWAKEVORTEXWOULDCONVECTDOWNSTREAMNEARTHEWALL；WHENTHEGAPRATIOISLARGEENOUGHG/D25ANDG/D30,THEINFLUENCEOFTHEWAKEONTHEBOUNDARYLAYERISVERYWEAK,NOSECONDARYVORTEXCANBEOBSERVEDINTHENEARWALLREGIONTHESTRONGINTERACTIONBETWEENTHECYLINDERWAKEANDTHEBOUNDARYLAYERISINVESTIGATEDFORTHECASEOFG/D10ITISFOUNDTHATTHESECONDARYVORTEXWOULDBELIFTEDUPWHENFORMINGINTHENEARWALLREGIONONCEITISLIFTEDHIGHENOUGH,ITWOULDINTERACTSWITHTHELOWERWAKEVORTEXDIRECTLY,RESULTINGINITSELFTOBEEITHERROLLEDUPINTOTHEWAKEORPUSHEDDOWNTOWARDSTHEWALLTHEINHOMOGENEOUSINTERACTIONALONGTHESPANWISEDIRECTIONOFTHESECONDARYVORTEXACCELERATESITSTHREEDIMENSIONALDESTABILIZATIONINTOVORTICESSOMEPROPERORTHOGONALDECOMPOSITIONMODESEXTRACTTHESEPARATIONANDREATTACHMENTPHENOMENONOFTHEFLOWNEARTHEWALLANDINDICATETHATTHISPHENOMENONISUNSTEADYTHERESULTOFFINITETIMELYAPUNOVEXPONENTIALS,WHICHISALAGRANGIANVORTEXIDENTIFICATIONMETHOD,REVEALSTHATAFTERTHEREATTACHMENT,THEHAIRPINPACKET,THEKINDOFSTRUCTURETHATUSUALLYAPPEARSINTHELATESTAGEOFTRANSITIONORTURBULENTBOUNDARYLAYER,BEGINSTOSHOWUPINTHEBOUNDARYLAYERTHEWEAKINTERACTIONBETWEENTHECYLINDERWAKEANDTHEBOUNDARYLAYERISINVESTIGATEDFORTHECASEOFG/D20ITISFOUNDTHATTHESECONDARYVORTEXSTAYSCLOSETOTHEWALLWHILEITCONVECTSDOWNSTEAMANDEVOLVESINTOVORTEXFASTDISTURBANCEGROWTHISFOUNDINTHESAMESTREAMWISERANGETHEDYNAMICMODEDECOMPOSITIONANALYSISREVEALSTHATATFIRST,THEDISTURBANCEWITHTHEFREQUENCYOFTHEWAKEVORTEXSHEDDINGENTERSTHEBOUNDARYLAYERANDEXPERIENCESADOMINANTGROWTH,CORRESPONDINGTOTHEFORMINGOFTHESECONDARYVORTEXHOWEVER,ASTHESECONDARYVORTEXISDESTABILIZINGINTOVORTICES,DISTURBANCESWITHOTHER北京航空航天大学博士学位论文IIIFREQUENCIESSTARTTOGROWANDTHELOWFREQUENCYONESSEEMTOBEDOMINANTATTHISSTAGETHECONTINUINGEVOLVEMENTOFTHEVORTICESINTHETRANSITIONALBOUNDARYLAYERTHENRESULTSINTHEGROWINGPOPULATIONOFHAIRPINVORTICES/PACKETSITISREVEALEDTHATSTREAMWISESTRETCHEDLOWSPEEDREGIONSBEGINTOAPPEARINTHEBOUNDARYLAYERASSOONASVORTICESAPPEARASTHETRANSITIONPROCESSGOESON,THESTREAMWISESCALEOFTHELOWSPEEDREGIONINCREASESWHILETHESPANWISEDISTANCEBETWEENTHEMDECREASESTHEBYPASSTRANSITIONINDUCEDBYANACTIVELYCONTROLLEDCYLINDERWAKEUSINGSYNTHETICJETISALSOINVESTIGATEDFORTHECASEOFG/D20ITISSHOWNTHATTHELOWFREQUENCYCOMPONENTSOFTHEWAKEDISTURBANCEPLAYADOMINANTROLEINTHEWAKE/BOUNDARYLAYERINTERACTION,ANDTHESYNTHETICJETINCREASESTHESTRENGTHOFTHESELOWFREQUENCYCOMPONENTSTHUSTHEDESTABILIZATIONPROCESSOFSECONDARYVORTEXISPROMOTEDANDTHEBYPASSTRANSITIONINITIATESEARLIERKEYWORDSCIRCULARCYLINDERWAKE,BOUNDARYLAYERTRANSITION,SYNTHETICJET,PROPERORTHOGONALDECOMPOSITION,DYNAMICMODEDECOMPOSITION,LAGRANGIANVORTEXIDENTIFICATION目录IV目录第一章引言111背景介绍112边界层转捩的一般途径213圆柱尾迹与边界层相互作用714合成射流技术10141合成射流的形成和流场特性11142合成射流控制圆柱绕流1215本文的研究工作和章节安排14第二章实验设备和实验方法1621实验模型1622合成射流激励系统1723实验方法19231氢气泡流动显示19232粒子图像测速（PIV）1924实验内容2125平板层流边界层实验2426实验数据处理方法25261相位平均26262涡识别方法27263本征正交分解28264动力学模态分解29265有限时间李亚普诺夫指数32本章小结32第三章圆柱高度对尾迹/边界层相互作用的影响3331流场统计特性33311时间平均流场33312流场的脉动统计特性3732相位平均流场43本章小结50第四章圆柱尾迹与边界层的强相互作用5141流场统计特性5142二次涡的形成5443二次涡的抬升57北京航空航天大学博士学位论文V44二次涡与下尾涡的直接相互作用6045二次涡的失稳6246本征正交分解的结果6347有限时间李亚普诺夫指数的结果64本章小结65第五章圆柱尾迹与边界层的弱相互作用6651流场统计特性6652二次涡的形成与边界层内扰动增长69521二次涡的形成和演化69522边界层的感受性与扰动增长7253边界层中涡结构75531氢气泡流动显示75532李亚普诺夫指数显示的流场结构7754流场POD分解8055边界层内大尺度结构对近壁小尺度结构的调幅8356条带展向间距的变化85本章小结86第六章合成射流控制尾迹诱导边界层旁路转捩8761合成射流对流场中涡结构的影响8762合成射流对流场统计特性的影响9063圆柱后驻点合成射流控制边界层转捩的机理探究93本章小结95结论97参考文献100攻读博士学位期间取得的学术成果106致谢107作者简介108北京航空航天大学博士学位论文1第一章引言11背景介绍湍流是自然界和工程上一种普遍的流动现象。由于湍流多是由层流转捩而来，因此湍流及层流向湍流的转捩过程吸引着人们的极大兴趣，而对边界层转捩的研究成为人们研究的重点。由于问题本身的复杂性和重要性，一百多年来，学术界对这一问题的兴趣和努力一直在延续。人们很早就发现，在没有明显外部扰动的情况下边界层会“自发”转捩为湍流，而在边界层外有其它扰动时转捩过程可以更快的发生。物体的绕流尾迹对边界层的影响就属于后者，在工程实际中，有许多这样的例子。图1A中多段翼型的运用就是尾迹与边界层相互作用的一个典型例子。具有图1A中所示的带前缘缝翼的机翼是民机上广泛采用的一种装置，前缘缝翼如果和后缘的襟翼同时打开，能在机翼上形成两道缝隙，增升效果更佳。对于现代大型客机，最大升力系数每增大1，相当于可以增加14到22名乘客的重量。多段翼型在设计时考虑在相邻两个子翼型之间留有一定的缝隙，由于这一开缝的作用，使下翼面的高压气体以高速流向上翼面，从而增大了上翼面附面层中的气体流速，延缓了气流分离，起到了增升的作用1。从图1A中可见，缝翼虽然在一定情况下可以抑制分离，但其尾迹会与下一个子翼型表面边界层相互作用，这必然会对边界层的流动状态乃至机翼的性能产生影响。因此，要成功的设计出多段式高升力翼型，必须全面的了解尾迹对边界层的影响。尾迹与边界层的相互作用也是各种涡轮机械中常见的现象。对于有多级转动部件的机械，例如航空喷气式发动机中压气机上游转子和下游定子（如图1B所示）以及高低速涡轮，上游转动部件的尾迹与下游叶片上的边界层相互作用，会使叶片表面转捩过程发生改变，从而最终影响到压气机或者涡轮的气动性能和传热效率。另外，许多其他的工程应用中也涉及到尾迹和边界层相互干扰的问题，如飞机起降过程中地面对飞机尾迹的作用，将直接影响到后续飞机的起降安全。海底电缆与洋流的相互作用也属于这一研究模型。综上所述，对于边界层转捩的研究，在认识复杂流动现象方面具有重要的学术意义，并有极大的工程应用价值。因此，本文主要研究尾迹影响下边界层旁路转捩过程，并借助合成射流技术进行流动控制研究，希望能对边界层旁路转捩机理有新的认识。第一章引言2A多段翼型2B压气机叶片图1工程中尾迹与边界层相互作用的例子。12边界层转捩的一般途径边界层从层流向湍流转捩是一种普遍的流动现象。按扰动的强度和转捩路径划分，边界层转捩过程可以大致分为规则转捩和旁路转捩两大类。规则转捩是指层流边界层内很小的扰动在边界层内部不断放大形成TS波，TS波再发生三维失稳形成其它拟序结构直至流动发展为湍流的过程。若是边界层外部扰动较大，则可以通过感受性机制进入边界层，不经过TS波形成和放大过程而直接诱导形成拟序结构，相当于TS波被“旁路”掉了，这种转捩过程称为旁路转捩。对转捩过程更细致的划分如图2所示。图2中环境扰动的强度从左到右依次增大，在经过感受性阶段后呈现出不同的演化路径，基本涵盖了已知的大部分转捩情况。路径A为自然转捩，也称为规则转捩（如图3所示）。在这种情况下，边界层外流动区域必须相对平静（01U,U为自由来流速度），边界层感受到的扰动也非常小。北京航空航天大学博士学位论文3这些小扰动在粘性边界层中的早期演化过程可以用线性化的NS方程ORRSOMERFIELD方程（ORRSOMERFIELDEQUATION,OSE）来描述。对OSE的分析表明，具有较长波长的二维平面波是OSE最不稳定的特征模态，一旦边界层雷诺数超过中性稳定曲线上的临界值，这些OSE的特征模态将开始指数级增长。这种不稳定的二维平面波被称为TS波，在图2中称为主模态（PRIMARYMODES）。KLEBANOFF等3的研究表明，线性不稳定剪切层能放大任何小的三维扰动，而这样的三维扰动在所有的流动中都存在。当TS波流向扰动的幅值超过1U后，其波形沿展向逐渐发生改变开始呈现较为明显的三维效应。三维效应的出现标志着TS波线性放大阶段的结束，而二次不稳定性开始起作用，在图2中称为二次机制（SECONDARYMECHANISMS）。二次机制包括至少三种TS波的后续演化形式K型转捩3，C型47，以及H型转捩8。他们对应的二次不稳定结构的流向和展向波长存在差异，但都和TS波处在同一个量级。二次机制发生之后，各种旋涡结构相继出现，旋涡的相互作用和级串式破裂在转捩末期形成湍斑（TURBULENTSPOT），在图2中称为破裂（BREAKDOWN）。包含紊乱流体微团的湍斑镶嵌于近乎层流的环境流体中，其流向和展向尺度都不断扩展。这些湍斑不断增长和合并，最终使整个流动都变为湍流。图2边界层转捩的一般性图景9第一章引言4图3平板边界层规则转捩示意图10对应图2中路径E，当自由来流扰动幅值非常大时，可以引发边界层亚临界不稳定性（SUBCRITICALINSTABILITY）甚至直接产生湍斑，之后流动迅速转捩为湍流。这样的现象在拥有粗糙和很高自由来流湍流度的流动中被发现11,12，但对它的理解还并不完善。需要强调的是，路径E中扰动的线性增长过程被完全旁路掉12,13，因此基于线性稳定性理论的转捩预测在这种情形下完全失效。一般认为，若是转捩过程中初始扰动的增长不能被OSE的主模态来描述，则该转捩过程就可以被称为是旁路转捩。按照这样的定义，路径E似乎成为旁路转捩最典型的代表，因为它完全不能被线性稳定性理论来解释。但近些年来，对瞬态增长过程的发现和研究极大地拓展了人们对旁路转捩路径多样性的认识。瞬态增长是指OSE中两个非正交的稳定模态在相互作用后以代数增长（ALGEBRAICGROWTH）的形式快速放大，到达一定峰值后以指数形式衰减。这一过程仍属于线性范畴，可以使用线性化的扰动方程进行描述和预测。LANDAL等14首先提出了瞬态增长的概念，其后，HULTGREN和GUSTAVSSON15，HENNINGSON等16,17，ANDERSSON等18,RESHOTKO12,以及SCHMID和HENNINGSON19都对这一理论的发展做出了贡献。瞬态增长理论的发展与实验观测结果密切相关。KENDALL20在高自由来流湍流度影响下的边界层中发现了流向拉得很长的低速带条结构，他称之为转捩的KLEBANOFF模式，因为KLEBANOFF曾首次提及了这一现象21。他还发现，出现KLEBANOFF模式后，扰动增长的水平与当地边界层厚度成北京航空航天大学博士学位论文5正比。WESTIN等22详细的测量结果证实了这一发现，LANDAHL14,23曾提出“抬升效应”来解释KLEBANOFF模式的物理机制。抬升效应描述沿主流方向拉伸的流向涡通过诱导作用使一侧的近壁区流体上抬、另一侧的远壁区流体下扫的过程。如果流向涡的强度和长度足够大，则可通过抬升效应诱导产生明显的沿流向拉伸的高低速条带结构，而条带结构带来的扰动在边界层内的演化在数学上正好可以用瞬态增长理论来解释。MATSUBARA等24烟线流动显示清晰地显示了这种低速带条结构（见图4），他们还发现，这些低速带条的增长过程的确和瞬态增长过程密切相关，即条带沿流向的形成和增长过程所伴随的就是扰动的代数增长过程。MATSUBARA等24的流动显示和热线测量还表明，在前缘附近边界层里，条带的的间距很大，随着向下游的发展，间距逐渐减小直至和边界层厚度相当。条带的流向尺度则随着流向位置的增加而增大。实验和数值模拟均表明，条带结构在沿程发展一定距离后会突然出现湍斑，如图5所示。湍斑的形成标志着转捩过程进入末期，其后湍斑的破裂和相邻湍斑的合并共同推动流动最终转捩为湍流。对于湍斑的形成机理，一种广泛接受的观点（BRANDT等25，SCHLATTER等26）是当条带达到一定强度后会发生二次失稳及后续的非线性破裂，也有观点（JACOBS等27,28，WU等29）认为湍斑的突然形成可能是源于边界层外自由来流湍流度（FREESTREAMTURBULENCE，FST）对抬升至边界层附近条带的强烈作用。图4烟线流动显示的FST诱导形成的边界层内高低速条带结构，亮区域显示的是低速条带，暗区域代表高速区24。以代数增长为特征的KLEBANOFF模式和以指数增长为特征的主模态在流动结构和转捩路径上存在很大的不同。这二者在边界层内属于相互竞争的关系。在外部FST比较高的情况下，感受性机制能为边界层提供合适的初始条件，扰动然后在边界层内经历瞬态第一章引言6图5条带失稳和破碎的过程24。烟线流动显示，两幅图之间间隔20MS。增长后甚至可以达到很高的强度（10U）。取决于扰动强度所能达到的水平，转捩路径也会有所不同。图2中的路径B，C和D，初始环境中扰动的幅值递增，而且都经历了瞬态增长，但是瞬态增长与OSE主模态竞争的结果有所不同。路径B显示的是主模态（路径A）占优的情况，此时二维平面TS波仍然是转捩初期最主要的扰动，但非正交模态的瞬态增长将影响TS波的展向二维性，使TS波的线性放大过程偏离常规线性稳定性分析的预测。路径C显示的是非正交模态瞬态增长占优的情况，此时条带取代TS波成为边界层转捩初期的主导结构，但瞬态增长不能将扰动的幅值放大到直接进入非线性阶段的程度，其后的发展仍然受以二次不稳定性或亚临界不稳定为代表的二次机制的主导。条带的不稳定性主要包含对称（VARICOSE）和反对称（SINUOUS）不稳定性两种3041，其中反对称情况更为常见，如图5所示，条带刚开始变得有些展向波动，而且波动的幅值逐渐增大，到最后条带突然破碎形成湍斑。路径D中瞬态增长占据绝对优势，扰动经过迅速的线性增长后，由于其幅值超过特定阈值，非线性机制将主导后续演北京航空航天大学博士学位论文7化过程。在这种情况下条带的破碎更为迅速，如图6所示，条带破碎为湍斑之前甚至没有明显的展向波动。一种观点28认为这是由于条带形成后会逐渐抬升，当抬升到边界层的外缘时，外界很强的高频扰动可以直接导致条带破碎成为湍斑，之后流动迅速地变为湍流。这中非线性直接起作用生成湍流的现象类似于路径E的BYPASS阶段，流动在很短的时/空范围内破裂为湍流。正因为如此，潘翀和王晋军9将D与E划分到一起，称为传统的旁路转捩过程。图6FST引起边界层旁路转捩的全过程42。图中灰度代表流向脉动速度U在俯视平面的瞬时分布，从上到下三个平面分别位于边界层外、边界层外缘和边界层内部，流动从左到右，DNS结果。13圆柱尾迹与边界层相互作用需要指出的是，图2所给出的转捩路径的分类只是一个泛化的图景，对初始扰动的具体形式并无限定，各转捩路径之间的界限也比较模糊。事实上除了自由来流中的扰动，引发边界层旁路转捩的外部扰动可以有许多不同的形式。它们大致可以分为分布式扰动和局部扰动，前者包括自由来流中的扰动和外部声激励等，后者包括表面粗糙，壁面吹吸和壁面振荡等，图7给出了诱发旁路转捩的不同扰动形式的示意图。以上不同的扰动诱发的边界层转捩路径会有所不同，尤其是初始感受性机制和转捩前期流场特征有明显差别。但即使是同一种形式的扰动，其强度和频谱特性也会对转捩过程产生很大影响。以自由来流湍流度的情况为例，即使来流中的湍流是各向同性的，随着来流湍流度的提高，图2中的转捩路径A一直到转捩路径E都有可能出现。第一章引言8图7典型局部扰动和分布式扰动激发边界层转捩的示意图9。若是来流中还包含大尺度的涡结构，情况将会更加复杂。图1A所示的缝翼尾迹与边界层干扰就是这样的一个典型例子。这样的尾迹中除了小尺度随机脉动外，还包含有较大尺度和能量的旋涡结构，这些大尺度结构能够在边界层内诱导生成新的旋涡结构，因此能明显改变边界层的转捩路径。一般用圆柱/平板这一理想化模型对尾迹诱导边界层发生的旁路转捩进行研究。KYRIAKIDES等43的实验观察到圆柱下尾涡能在边界层内诱导出二次涡结构，该二次涡结构具有跟下尾涡相反的涡量，KYRIAKIDES等43用象限分解的方法对二次涡的形成进行了解释。OVCHINNIKOV等44的数值模拟给出了转捩流场的平均速度型、雷诺应力以及湍动能等定量信息，并且对转捩机制进行了研究。他们的研究没有在圆柱下游的壁面发现二次涡结构，而是在边界层中发现了条带结构（如图8所示）。他们认为尾迹展向涡具有三维性，因此将动量展向不均匀地直接注入到边界层中，这些进入边界层内的扰动最终发展成为了低速条带结构。他们的结论是圆柱尾迹诱导下的旁路转捩虽然与自由来流湍流度引发的旁路转捩有一些相似之处，但这二者在外部扰动的性质上还是很不相同的。由于前述实验与数值模拟的差异，PAN等45对这一模型进行了深入的研究。他们的流动显示清晰地表明，圆柱尾迹的确能在壁面附近诱导出二次涡。二次涡的存在将使旁路转捩过程偏离FST引起的边界层转捩的KLEBANOFF模式，从而呈现出不同的路径。二次涡在近壁区演化发展引起的边界层旁路转捩路径具有以下几点特征具有较好二维性的二次涡在尾迹中随机扰动的激励下三维失稳，并在时均剪切和拐点不稳定性的作用下形成马蹄涡（如图9A所示）；马蹄涡受涡头涡腿相互诱导、时均剪切和尾迹涡诱导等三个因素的共同作用，表现出涡头加速上抬和涡腿下压的演化趋势；马蹄涡北京航空航天大学博士学位论文9通过旋涡固壁相互作用诱导生成高阶马蹄涡，并通过自组织过程形成大尺度涡包（如图9B所示）；大尺度马蹄涡包通过涡腿间的诱导抬升作用在下方形成高低速条带，条带和马蹄涡包通过相互反馈机制实现再生和自维持循环，最终导致充分发展湍流边界层的形成。图8OVCHINNIKOV等44对圆柱/平板模型的数值模拟。尾迹涡在边界层内直接诱导低速条带结构。MANDAL等46最近的研究进一步确认了PAN等45的结果，即二次涡能够被尾迹涡诱导生成。这些展向二次涡随后三维失稳演变为涡/马蹄涡，并且随着雷诺数的升高或者圆柱高度的降低，这些涡/马蹄涡的尺度有所减小。MANDAL等46的结论认为，尾迹诱导旁路转捩与自由来流湍流诱导的旁路转捩的外部扰动性质不同，但转捩后期的现象与特征是相似的。SARKAR等47用大涡模拟的方法研究了近壁圆柱对流动结构和流场统计特性的影响，他们发现圆柱距离壁面的高度是很重要的一个参数。当圆柱高度G低于当地平板边界层厚度时，圆柱下剪切层会受到抑制。下剪切层与壁面剪切层相互作用，结果是下尾涡与其诱导形成的二次涡一起偏离壁面，在下游形成很大的分离区。此时，转捩主要在尾迹中发生。随着圆柱高度的增加，圆柱下剪切层与边界层的配对会减弱。当圆柱尾迹完全处于边界层之外（文章中G/24）时，尾迹与边界层中的涡结构都能独立的发展。第一章引言10此时，尾迹中的动量会直接注入边界层，生成条带结构并导致边界层转捩为湍流。他们的研究中没有提及二次涡在转捩过程中的作用。A马蹄涡的形成B马蹄涡包图9二次涡演变成马蹄涡及马蹄涡包4514合成射流技术合成射流是借助MEMS技术发展起来的一种新型主动流动控制技术，它将传统连续吹吸气技术结合起来，与传统射流相比，需要的能量消耗更小，但是效率更高，因此有着广泛的发展前景。同时合成射流激励器结构比较简单，不需要复杂的管道以及机械系统，它只需要振动薄膜或者活塞在激励器腔体内的往返运动即可完成。借助MEMS技术发展起来的合成射流激励器具有无气源、无铰接、结构微型化、响应频带宽以及响应迅速等若干优点，可对外部流场以及内部流场进行控制，因此被应用到流动控制的诸多方面，如进行矢量控制、分离控制、边界层减阻、钝体绕流控制、增强掺混以及抑制噪声等等。北京航空航天大学博士学位论文11141合成射流的形成和流场特性合成射流的发现源于早期人们对声学整流现象的研究（INGARD等48，MEDNIKOV等49和LEBEDEVA50）。那时人们在圆柱内部腔体施加声波激励信号，引起腔体内气体压强变化，使得内部流体周期性的排出和吸入，在出口产生了周期性的涡环结构。20世纪90年代，JAMES等51依靠陶瓷的周期性振动特性在静止的水流中产生了湍流射流。后来，SMITH和GLEZER52研制成功了一套系统的压电陶瓷式合成射流激励器，通过压电陶瓷在腔体内的周期性振动，在腔体出口产生了合成射流。还有许多研究者研制了活塞式合成射流激励器53，它将电机的转动转化为活塞在激励器腔体内的振动，由于活塞往返运动的振幅相对于压电陶瓷要大，他们往往能够产生更大的出口速度。最近，SANTHANAKRISHNAN等54,55通过向两个同心环型电极施加交流电压，得到了等离子体合成射流激励器，该激励器结合了等离子体以及合成射流两种主动流动控制技术的特点，因此同样具有很大的发展前景56。图10合成射流形成原理示意图57不管合成射流激励器采用何种驱动方式，合成射流的形成过程和机理是相同的。图10A是压电陶瓷合成射流激励器示意图。通过外加周期性电信号的作用，压电陶瓷会产身变形，引起振膜的周期性振动。在其它形式的合成射流激励器中，这种振动可以是声激励引起，也可是是活塞的直接往返运动。总之，这种振动周期性改变了腔体的体积在体积减小的吹程，空腔中的流体在压缩作用下从孔口向外喷射，流体在孔口处发生剪切分离而诱导产生涡对，刚形成的涡对会在自诱导速度作用下继续向下游运动。而在空第一章引言12腔体积增大的吸程，外部流体被吸入到腔体内，但此时涡对已经运动到距离孔口一定距离而基本不受影响。同样，在下一个振动周期，又会有新的涡对形成，由此在激励器出口产生一系列的涡结构，他们合起来作用的效果相当于一个射流（如图10B所示）。由于在每一个振动周期中，经过激励器出口的净流量为零，因此合成射流（SYNTHETICJET）又被称为零质量射流（ZERONETMASSJET），但合成射流向外部流场输送的动量和能量却并不为零。合成射流是一系列涡环（圆孔合成射流）或涡对（狭缝合成射流）共同作用的结果，因此它与连续射流有一定的相似之处。SMITH和SWIFT58,59研究了狭缝合成射流流场不同流向位置流向时均速度沿展向变化，发现各流速度沿展向变化基本都满足自相似性，类似于传统射流的速度分布。CATER等60研究了圆形射流速度分布，他们的速度分布情况同SMITH和SWIFT的结果58,59类似，都存在着自相似特性。但合成射流与连续射流相比有自己的特点，SMITH和SWIFT58,59指出合成射流宽度以及体积流量沿流向发展速率要大于传统射流。他们认为合成射流涡对增强了周围流场的动量掺混，因此其扩散速度要高于传统射流。142合成射流控制圆柱绕流A0B60,C103C150,C102D180,C101图11合成射流对圆柱分离控制效果61。实验采用烟线流动显示。北京航空航天大学博士学位论文13圆柱绕流包含了钝体绕流的基本特征，主要包括下游大分离和尾迹中的周期性的卡门涡街，是流体力学一个热点课题。圆柱绕流的分离会带来较大的阻力，而周期性的卡门涡形成会让阻力变得具有周期性。同时由于自然状态下尾涡的反对称脱落特性，圆柱上还会产生周期性的升力，这些都是流致振动产生的重要原因。图12相位平均后涡量场62。从左至右相位依次为0,05,和15。AD自然脱落EHFE/FO167IL250MP333QT500，FO是尾迹涡自然脱落频率，FE是合成射流控制频率。对圆柱绕流的控制也集中在控制流动分离和尾迹涡的形成规律两方面。AMITAY和HONOHAN等61在风洞中进行的合成射流控制圆柱绕流分离实验结果如图11所示，他们在圆柱表面开一条平行轴线的的狭缝作为射流出口，通过改变压电陶瓷合成射流激励器在圆柱周线上的位置（以角度来表示，从前缘开始，顺时针方向为正）和射流强度（吹气系数C）。他们观察到了不同的控制效果（图11中）0时，合成射流与来流作用使第一章引言14得圆柱前驻点向上游移动，并且形成一个对称的闭合回流区。因此合成射流能有效的修改物体气动外形，进而改善空气动力学特性。60时，流动分离推迟，前驻点向下表面移动。150时，圆柱后缘形成两个不对称的回流区，而且有射流的一侧回流区较小。180，圆柱后缘回流区变小，流动几乎完全再附。FENG等63对合成射流控制圆柱绕流进行了细致的研究，发现当射流出口位于前驻点时，随着激励参数的不同，圆柱上游会形成周期性的闭式包线或准定常的开式包线，从而起到虚拟气动外形的作用。当合成射流位于后驻点时，合成射流形成的涡对与后缘回流区发生相互作用，从而使圆柱尾迹绕流结构发生变化。在FENG等63的实验中，随着激励频率的变化，尾迹涡呈现三种典型的脱落模式尾迹涡反对称脱落模式，尾迹涡锁定并脱落模式在对称与反对称之间变化，尾迹涡锁定并对称脱落模式（图12）。15本文的研究工作和章节安排由于圆柱尾迹诱导边界层旁路转捩过程的复杂性，人们对它的研究和理解远没有自由来流湍流度引起的旁路转捩那么广泛和深入。对尾迹诱导的旁路转捩机理的认识还处在起步阶段，至少有以下几个方面需要更多的努力。1圆柱距离壁面不同高度对边界层转捩过程的影响。虽然前人对不同高度圆柱/平板模型进行过研究，而且发现圆柱高度是影响尾迹与边界层相互作用流场特性的最重要因素，但其关注重点在于壁面的存在对圆柱尾迹的影响，而尾迹对边界层的影响则讨论较少。2圆柱/平板模型流场中涡结构的相互作用。圆柱尾迹中存在大尺度涡结构，并且能够在边界层内诱导形成新的二次涡结构，这二者之间的涡涡相互作用在之前的文章中很少提及。作为流场中含能较高的大尺度拟序结构，它们之间的相互作用必然会对流场的形态和统计特征产生影响。3边界层的感受性和扰动增长机制。圆柱尾涡能在边界层诱导生成展向二次涡已经被很多实验和数值模拟证实和解释。但从转捩的角度来看，对于边界层如何感受到不同类型的外界扰动以及扰动如何在边界层内增长还缺乏足够的定量的认识。4对圆柱尾迹诱导的边界层旁路转捩的控制。在来流中存在钝体尾迹这种大尺度涡结构情况下，我们提出可以尝试对圆柱尾迹即扰动源头实施主动控制来间接北京航空航天大学博士学位论文15影响转捩过程，其控制效果还尚待研究。另外，利用圆柱尾迹控制中出现的锁定和对称模态等现象，观察边界层对这种经过人为改变的尾迹的响应，应该能获得关于边界旁路转捩机理更多的认识。针对以上问题，本文对尾迹诱导下的边界层旁路转捩及其控制进行了实验研究。尾迹由圆柱绕流产生，边界层在圆柱下方的零压力梯度平板上发展。全文共六章，各章节内容如下第一章为引言，介绍了研究的背景，概述了旁路转捩的一般路径，综述了圆柱尾迹诱导下边界层旁路转捩的研究进展，并详细介绍了合成射流技术及其在控制圆柱尾迹方面的应用。第二章主要介绍了论文研究的实验模型，实验方法，合成射流激励系统以及数据处理方法。第三章讨论圆柱高度对流场形态和统计特性的影响。圆柱平行平板前缘置于下游某处，并与平板上表面保持一定的法向距离。通过改变圆柱与平板之间的法向距离，能够显著改变流场的特征，包括涡运动的轨迹，边界层分离状况等，据此对尾迹/边界层相互作用的类型进行大致的划分。第四章研究尾迹与边界层的强相互作用。圆柱距离壁面较近时，尾迹涡与其在壁面附近诱导的二次涡能发生直接的相互作用，研究了这种强相互作用对边界层发展的影响。第五章研究尾迹与边界层的弱相互作用。在圆柱高度距离壁面较高时，尾涡仍能在壁面附近诱导形成二次涡，对二次涡在边界层内的发展演化一直到湍流的最终建立进行了观察和测量。第六章研究对尾迹诱导下的边界层旁路转捩的控制。通过在圆柱后驻点施加狭缝合成射流来改变圆柱尾迹，以此控制边界层的旁路转捩过程，对这种控制的效果和机理进行了研究。第二章实验设备和实验方法16第二章实验设备和实验方法本章主要介绍了本项研究所采用的实验模型、实验技术，实验方案以及数据处理方法等。21实验模型图13实验模型示意图和坐标系的定义。A侧视图，B俯视图。实验在北京航空航天大学有机玻璃水槽中进行。水槽为回流式，试验段长4800MM，截面为60MM60MM。实验时来流速度为67MM/S，流场品质好，试验段湍流度低于08，在实验中能得到稳定的平板BLASIUS层流边界层。图13给出的是实验模型和坐标系的定义，坐标X,Y,Z分别沿着来流方向、垂直平板表面方向以及展向（指向依据右手螺旋法则确定），对应的速度分量为U,V,W。一块厚度宽度长度为10MM500MM2500MM的平板水平放置于水槽中间的位置，平板前缘为长短轴81的椭圆，以避免前缘感受性对边界层产生影响64。一个直径D20MM、长度580MM的圆柱沿展向放置于北京航空航天大学博士学位论文17平板之上，距平板前缘下游300MM处，基于圆柱直径的雷诺数RED1072。G为圆柱下缘与平板之间的距离，G在10MM60MM之间变化。在进行合成射流控制时，所用圆柱改为空心，一端开口与合成射流激励系统相连。圆柱外径仍为20MM，内径为16MM，并且在圆柱中间段后驻点附近开了一条宽度W1MM、长度L200MM的狭缝作为合成射流出口。22合成射流激励系统图14合成射流激励器系统示意图65。采用标准正弦激励信号的合成射流激励器系统包括控制系统和执行系统，如图14所示。控制系统包括微型计算机、A/D转换卡；执行系统包括伺服电机、对心曲柄机构（包括偏心圆盘和连杆）、活塞和腔体。具体连接方式为微型计算机通过A/D转换卡与伺服电机相连。伺服电机再通过对心曲柄机构与活塞相连，活塞可以在腔体内运动。在微型计算机上利用ADVANTECHDEVICEDRIVER软件调节标准正弦激励信号，该激励信号经过A/D转换卡控制伺服电机进行圆周运动，最后通过对心曲柄机构将伺服电机的圆周运动转化为活塞在腔体内的往返运动。活塞所在的腔体通过软管与放置于流场中的空心圆柱相连通，因此流体将从圆柱后驻点处狭缝出口周期性排出和吸入，在孔口附近由于流动分离而诱导产生涡对，从而产生合成射流。电机和活塞运动周期完全相同，合成射流形成涡对的频率等同于电机工作频率，因此通过调节电机转速就可以改变合成射流频率FE。激励器的可变参数是激励振幅A和激励频率FE。第二章实验设备和实验方法18根据流量守恒，可以推导得出合成射流出口速度U0T与激励器激励振幅A、激励频率FE以及几何尺度的关系U0T2DP2AFE2LWSIN2FET21其中，DP是活塞的外径，L是狭缝长度，W是狭缝宽度。根据SMITH和GLEZER52建立的SLUG模型得到合成射流流场的两个主要控制参数，即冲程L0L0U0TDTT/2022和射流雷诺数REU0REU0U0W23其中是流体的运动粘性系数，U0L0/T，是基于吹气周期的合成射流时均速度。根据合成射流出口速度信息，可以推导SLUG模型的基本参数。得到无量纲冲程L0/DL0DDP2A2DLW24以及合成射流雷诺数REU0REU0DP2AFE2L25此外，当与自由来流U进行比较，除了基于圆柱直径的雷诺数RED外，需要考虑另外两个无量纲参数，亦即无量纲的激励频率FE/F0，其中F0是固有卡门涡脱落频率，以及动量系数C61,66,67C2U0U2WD26北京航空航天大学博士学位论文1923实验方法实验采用了氢气泡流动显示和粒子图像测速（PARTICLEIMAGEVELOCIMETRY，PIV）相结合的方法。231氢气泡流动显示氢气泡流动显示方法是上世纪六十年代发展起来的一种实验技术，经过不断的完善，已经成为研究流体运动的常用方法。它的原理是通过电解水的方法，使阴极产生氢气，阳极产生氧气。实验时，电源的阴极接铂丝，置于实验段需要观察的流场处；阳极接碳棒，放在试验段的远下游。氢气泡是一种简单、实用的流动显示方法，在流速不高的情况下，它可以清晰的捕获到流动结构，因此在流体力学实验中使用十分广泛68。氢气泡发生器可以输出连续信号和脉冲信号。当输出连续信号时，铂丝上产生的是氢气泡幕；当输出脉冲信号时，产生的是氢气泡条带。铂丝的直径很细（O（10M），绕铂丝的流动基本无分离，所以它对流场的影响完全可以忽略。氢气泡法作为一种成熟的流动显示技术，其相关的技术问题如氢泡的上浮性和跟随性等都有比较深入的研究69，在此就不做讨论。本文实验所用的氢气泡发生器输出电压可以实现0150V的无级调节，实验时使用范围为3050V。实验中连续和脉冲两种工作模式都有用到，当脉冲模式下产生氢气泡时间线时，输出方波信号的频率可调，实验时选用的是16HZ这种状态。实验中主要用氢气泡显示了尾迹涡诱导边界层内生成二次涡的过程，以及转捩和湍流边界层中的马蹄涡结构。232粒子图像测速（PIV）PIV方法是在流场中布撒大量微小的示踪粒子跟随流场运动空气中使用空心玻璃微珠或者液体小颗粒烟雾，水中使用密度接近水的空心玻璃微珠，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场。使用数字相机拍摄流场照片（见图15），得到前后两帧粒子图像。再对图像中的粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。第二章实验设备和实验方法20图15水槽内PIV测速示意图跟随流体运动的示踪粒子被由脉冲激光器发出，经过透镜组作用的片光照射。粒子在间隔T的两个时刻的位置分别被记录在CCD芯片上。通过互相关算法，我们可以知道在T1与T2这两个时刻同一粒子群的位移变化S，根据速度的定义式就可以获得颗粒群在T1和T2时刻中间的平均运动速度，如下式所示VLIMT0ST27如果T1和T2之间间隔T足够小，就可以认为V是瞬时速度。一般地，在应用PIV技术时，有三个假设1示踪粒子跟随流体运动。由于PIV技术是通过测量示踪粒子的运动速度来测量流体运动速度，这就要求示踪粒子相对于流体有很好的跟随性，对一般低速流动直径D20M的示踪粒子与流体跟随性比较好。2示踪粒子在流场中均匀分布。如果示踪粒子在流场中没有均匀分布，则在粒子浓度过大或过小处容易产生明显的错误向量。通过实施向量修正可以去除部分错误向量，但如果错误向量过多时，则无法完全去除。3判读区内具有唯一的速度。流场被划分为很多网格，所谓判读区，是指为搜寻同一粒子在不同时刻所经过的位移S，而定义的一个搜索范围。PIV方法能够在流场中的一个界面上非接触的、实时的测量和显示速度矢量的分布，能同时获得大范围的流场信息。北京航空航天大学博士学位论文21本文PIV测量所用的粒子平均直径约为10M，密度为105G/MM3。所关注的流场用一台输出功率8W，片光厚度约1MM的激光器照亮，激光波长为532NM。用四台648488像素的CCD相机同时拍摄，以增大视野范围。它们在一台同步器的控制下工作，以确保它们拍摄的瞬时流场在时间上是同步的。在本文中，对垂直于平板的的平面（侧视）和平行于平板（俯视）的平面都进行了PIV测量。大多数测量在侧视平面内进行，在这用情况下，拍摄平面选取在平板中间对称面（Z0），这四台相机沿流向并排，组成“一”字型（见图13A所示）。在这种排列方式下，它们拍摄流场的区域总的大小约为260MM50MM13D25D。而在拍摄俯视平面时，四台相机组成一个“田”字形（如图13B所示），它们构成的拍摄区域大小约为140MM100MM7D5D。PIV系统的采样频率为100HZ，相邻两幅图像之间的时间间隔为10MS，每幅图像的曝光时间为3MS。考虑到本文研究的低速流动中大尺度旋涡的出现频率在1HZ以下，100HZ的解析频率足够捕获流动中的大多数动力学行为。PIV图像上所记录的粒子直径一般大于2个像素，因此可以不用考虑互相关计算中出现的峰值锁定现象70。最后所保存的图像用多次迭代互相关算法计算位移，最后一次迭代窗口大小为168像素，同时还有50的重叠区。测量得到的两个速度矢量之间的空间距离约为流向1MM和法向（展向）05MM。经过亚像素拟合后PIV互相相关得到的位移精度为01个像素左右，由此推算出本文PIV测速结果的相对不确定度小于2。24实验内容本文采用的实验方案是保持圆柱相对于平板的流向位置不变，通过改变圆柱的法向高度来研究不同工况下尾迹与边界层的相互作用。本文选取的圆柱与平板的法向高度G有10MM，20MM，30MM，40MM，50MM和60MM六种工况，对应的G/D分别为05,10,15,20,25,30。其中重点关注了G/D10和G/D20的情况对G/D10流场中涡结构相互作用进行了深入研究；对G/D20时边界层一直到湍流的发展过程进行了详细测量；并且在G/D20时圆柱后驻点施加合成射流，研究合成射流对尾迹形态和边界层旁路转捩前期流动结构的演化的影响及机理。对不同的工况，PIV系统选择的拍摄范围和拍摄平面有所不同。总的来所可以分成三组第二章实验设备和实验方法22第一组，改变圆柱高度。此时PIV拍摄范围不变，固定在圆柱近下游区域，如表1所示。第二组，对G/D20的工况，由于边界层能够独立发展（第三章将讲到），对边界层的测量一直延续到了湍流状态。其中侧视平面内的测量是连续的，即相邻两个测量范围之间存在交集，而在俯视平面内的测量则选取了边界层转捩初期，转捩过程中和变为湍流后三个典型区域进行了测量。具体的测量范围见表2。需要说明的是，因为是对边界层转捩的测量，为了验证实验条件，对没有圆柱尾迹影响的平板边界层也进行了测量。第三组，对G/D20的工况还施加了合成射流控制。在这种情况下，我们重点关注的是边界层对不同尾迹形式扰动的响应。实验中所用的狭缝合成射流在圆柱后驻点，无量纲冲程为L0/D5；激励频率为FE/F010和FE/F020两种情况（F0是没有合成射流时圆柱尾涡脱落频率），对应的射流出口雷诺数0分别为15和30，而吹气系数分别为00762和03049。拍摄工况见表3所示，为了观察到合成射流对尾迹形态的影响，法向视野范围增大到Y/D0,32。在每一个测量区域，PIV系统中每台相机能一次连续采集6350幅图像，这样的测量在每个区域都至少重复三次，总的采样时间超过3分钟。表1变圆柱高度时PIV的测量区域。圆柱高度G/D侧视视野范围X/DY/D0508,140,251008,140,251508,140,252008,140,252508,140,253008,140,25北京航空航天大学博士学位论文23表2G/D20时边界层转捩为湍流全过程PIV测量区域。拍摄位置编号（G/D20）侧视视野范围俯视视野范围X/DY/DX/DZ/D108,140,2512,8225,252128