一种控制气流分离的无源微脉冲射流技术研究

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1、朱剑锋等：一种控制气流分离的无源微脉冲射流技术研究高频状态下，如何产生强度可观、频率可控乃至波形可定制的脉冲射流对于后续的非定常控制实验有着重要的意义。因此针对脉冲射流器特性进行了相关研究，力求从原理上分析影响射流频率及波形的结构参数。脉冲射流特性测量系统如图3所示，其中叶片叶型参考中国燃气涡轮研究院提供的某压气机静子叶根截面设计，叶片弦长c一80mm，叶高为100mm。射流缝出口位置位于弦长71％处，出口缝宽为o．2mm，射流缝出口与壁面间角度a一15。。旋转缝栅直径D一4mm，缝宽为O．8mm，转静子间隙为o．02mm，开缝条数为4条，引气口宽度为2．5mm，保证了栅内气路与引气气路在

2、各个缝栅旋转角度下都处于连通状态，射流器结构参数、叶片安装方式及测点分布如图4所示。图3脉冲射流特性测量系统Fig．3Measurementsystemofpulsedjet图4脉冲射流器参数示意图Fig．4Paranletersofpulsedjet射流器旋转缝栅转速采用南京航空航天大学微型发动机研究所研制的转速传感器采集，转速控制通过脉冲射流控制系统完成。动态压力测量参数主要包括脉冲射流器出口缝内静压及出口总压，其中动态压力采用昆山双桥CYG504GL型微型超微压压力传感器测量。图5给出了在进口稳态压力为1800Pa、旋转缝栅转速为9OOor／min时射流器出口缝内静压及出口总压时域图

3、，文中压力均采用表压表示。图中：T为射流周期。由图5可知：①在旋转缝栅旋转一周过程中，射流器产生4股明显的脉冲射流，这一特征在各个转速状态下均存在，表明脉冲射流器能产生明显的脉冲射流且射流频率无级可Tlme／7、图5压力时域图来剑锋等：一种控翩气流分离的无源微脉冲射流技术研究EjU0200040006J／m(d)产0887图7不同时刻瞬时压力场Fig．7Instantaneouspressure“eldatdifferenttimes出口缝内流体仍保持向下游流动，此时缝内流体得不到有效补充，压力降至大气压以下，形成瞬时局部负压区域；当缝内流体向下游流动速度降至零时，局部负压区压力达到最小值

4、(￡一o．88T)，此后外界流体开始流入射流缝内，缝内压力逐渐增加。数值模拟得到的射流缝内静压及出口总压变化规律与实验结果基本一致，表明本文采用的大涡模拟方法在把握射流器内流动的主要特征方面具有一定的准确度。由于加工误差的存在，实际过程中旋转缝栅4条缝隙两两之间的金属辐条宽度并不完全相同，其中1号与4号缝隙之间间距约为2．2mm。该现象导致实验测得的一个周期内对应的4个压力波峰波谷值并不完全相同，其变化规律与旋转缝栅4条缝隙之间的间距分布相吻合。表明在同等转速下通过调整缝隙之间间距可以达到设计射流波形的目的，该现象的存在为后续脉冲射流波形的定制奠定了基础。值得说明的是：随着射流频率的增加，

5、射流器出口缝内平均压力基本保持不变，压力波动幅值逐渐增加。3实验模型简介3．1仿叶栅通道无源脉冲射流控制方式针对的是高负荷压气机内由于大扩张导致的叶背侧气流分离，考虑到直接将该技术运用至压气机或平面叶栅进行研究会面临实验系统复杂性的影响，不利于分析清楚流动机理。为了简化实验模型，本文在抽取叶栅内主要流动特征的基础上建立了一套仿叶栅通道模型。通过对通道内分离流动进行脉冲射流控制，掌握该控制方式的特点，理解其抑制气流分离的机理，从而为后续在平面叶栅乃至真实压气机中的运用奠定基础。考虑到仿叶栅通道与叶栅通道在流场细节方面存在的差异性，因此后期将开展相应的叶栅风洞试验以验证无源脉冲控制技术的控制效

6、果，具体仿叶栅通道实验模型如图8所示。图中：H为叶片高度。图8仿叶栅通道结构示意图Fig．8StructurediagramofimitatingcascadechannE3．2实验及测量方案实验主体结构由仿叶栅通道、抽气装置、脉动阻尼器和转速驱动及控制系统组成，实验进口马赫数为o．1。稳态压力测量参数包括进口静压、叶片及出口段表面静压和出口总压分布；动态压力测量参数包括脉冲射流器出口缝内静压、叶片表面静压及通道内压力分布，其中通道内动态压力分布通过移动传感器测量位置获得，具体测点分布如图9所示，其中沿流向总共有13个测量位置，L。位置接近于叶片前缘，L，位置靠近尾缘，每个位置沿径向测量1

7、7个点，壁面附近局部加密。稳态压力参数采用美国PressureSystem公司的PSI智能压力扫描仪采集，动态压力采用昆山双桥CYG504GL型微型超微压压力传感器测量。实验过程中各个状态下数据采集时间均为120s，以减小出口截面气流压力波动带来的数据采集误差。OOOOOO00000000002●098765432●●23航空学报Aug．252013V01．34No．8Widt}1．343m⋯』，f·DynamIcpre