合成射流流动机理及应用技术研究

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1、国防科学技术大学硕士学位论文合成射流流动机理及应用技术研究姓名：罗振兵申请学位级别：硕士专业：航空宇航科学与技术指导教师：夏智勋2002.10.1国防科学技术大学研究生院学位论文摘要基于混沌理论及非线性系统特征的合成射流技术是国际上近几年提出的一种全新的流动主动控制技术。合成射流激励器作为该技术的关键工作部件，具有无需流体输送，净质量流量为零，动量不为零的特点，而且合成射流激励器工作时只需要电能，易于实现电参数控制。合成射流技术目前正处于探索与应用研究阶段，有许多机理和应用方面的问题需要进一步的研究和探索。国内相关研究才刚刚起步，开展合成射流技术的研究并转化为生产力，具有重要的理

2、论价值和工程实际意义。本文采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法对合成射流流动机理及应用技术进行原理性研究，为合成射流技术应用于推力方向控制奠定基础。本文的主要研究成果主要体现在以下五个方面：(1)本文的创新之一就是建立了将激励器腔体、激励器出口喉道以及其工作形成的外部流场作为一个单连域考虑的激励器简化模型II，实现了全流场流动的计算分析，与国内外现有的激励器出口流动模型比较，它能真实地反映包括激励器腔体在内的全流场流动，从而能够更有效真实地研究合成射流流动机理。(2)本文的主要工作之一是基于建立的激励器简化模型对合成射流流场进行二维、三维数值分析以探讨合成射流流动机理。通过分

3、析的得到了以下结论：一、合成射流在向下游传播过程中，在出口附近流动速度经过一个较大峰值后快速下降，尔后流动速度经过几次波动后缓慢下降，这与实验观测到的合成射流的演变分为两个明显不同的区域相吻合。二、对不同驱动频率，振动膜速度幅值以及激励器的结构对合成射流的影响分别进行数值计算和定性分析，得到了大量有助于合成射流激励器设计的结论。三、三维模拟结果显示合成射流的方向性极佳，与二维模拟相比较，三维数值模拟的速度波动较二维模拟要小，旋涡的相干结构衰弱，这是因为三维模拟考虑了流动的横向不稳定性，这更加接近实际情况。(3)对不同相位差、不同振幅、不同频率的两相邻激励器相互作用形成的合成射流流

4、场进行数值分析并对其机理进行研究。当两相邻激励器处于不同工作状态同时工作时，合成射流将发生偏转，其主要机理是由于两激励器吸入和排出流体流动不同，使得两列旋涡对不对称，在两列旋涡对之间存在“卷吸场”和压强梯度，从而引起旋涡对向低压侧和强涡量区偏转。(4)主要工作之二是探讨了合成射流技术的潜在应用，应用合成射流控制技术，可以大大提高低速燃气／氧气的掺混程度以及加强换热，合成射流的控制效果与激励器的工作情况密切相关。应用合成射流技术可以有效控制宏观低速流流动方向，其控制强度由宏第1页国防科学技术大学研究生院学位论文观流动与合成射流的动量比决定，而合成射流激励器的工作频率以其布置位置对主

5、流的控制效果影响很大。其应用原理主要是由于合成射流本身所具有的特点以及其与受控流的相互耦合作用。(5)基于设计的合成射流激励器及测试系统，在静止大气环境进行了初步原理性实验，并对激励电源电压幅值和频率对合成射流的影响进行了分析，实验结果与理论分析及数值模拟结果相吻合。关键词：合成射流技术，合成射流激励器，模型，数值模拟，机理，应用国防科学技术大学研究生院学位论文ABSTRACTBasedonthechaotictheoryandnon—linearsystemtheory,anewactiveflowcontroltechnology—thesyntheticjettechnol

6、ogy,appearedseveralyearsago．Asthekeypartofsyntheticjettechnology,thesyntheticjetactuatorcanworkwithoutfluidfeedingandhasmomentumfluxbutnomassflux．Sinceitonlyneedselectricitywhenworks，itcarlbecontrolledeasily．Nowonlyafewdevelopedcountriesareexploringandinvestigatingthesyntheticjettechnology,an

7、dmanyproblemsaboutmechanismandapplicationsneedfurtherstudy．Thesyntheticjettechnologyisfreshinourcountry，itisimportanttoexpandthestudyofthesyntheticjettechnologyandmakeitintoproductivity,bothintheoryandengineering．Inthispaper,theflowmechanisma