基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252016VoI37No．61753．1762ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．CFIhkxb@buaaeducaDOI：10．7527／S1000—6893．2016．0014基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制李斌斌1一，姚勇1，顾蕴松2，程克明21．西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳6210102．南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：作为一种新的流动控制激励器，合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声

2、等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究，应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明，在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度，当合成射流的动量系数为0．301×103时，可使再附点长度减小25％。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强．提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数．当频率为260Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1．32、激励频率等同于旋涡脱落频率时，合成射

3、流控制效果最好，仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。关键词：合成射流；后台阶；流动控制；流动分离；再附点长度中图分类号：V211．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)06—1753—10后台阶(BackwardFacingStep，BFS)流场是典型的边界层分离后再附之流场，亦称为突张室流场[1‘2]。虽然结构简单，但因流场性质稳定、结构坚固，流场内流体的混合效率极佳，故常被应用于驻焰器、燃烧室、扩张器、机翼与建筑物周围风场等工程中∽。‘!。后台阶流动的分离将会导致一些不利的影响，如高速旋涡的形成、压力损失、脉动增大以及噪声等【6]。因此，有必要采取

4、流动控制措施来抑制其分离流动。后台阶的流动分离控制可分为被动控制和主动控制[7]。被动控制是指没有外部能量的注入，如在流场中加入各种形状的扰流片或涡流发生器等。利用涡流发生器在流场下游形成流向涡，提高流场的混合效率，从而降低分离区范围。控制方法简单易行，但存在无法根据实际工况进行调节的缺陷。Park等∽3利用三角形扰流片形成的流向涡，使分离区减小20％以上。仅增加了流场部分区域的动量交换，对流场中大多数区域的动量交换降低。主动控制是在流场中直接施加适当的扰动模式，并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。在以往的研究中，吹吸气控制被广泛应用于后台阶的分离流动控制。Sano等

5、[91对台阶阶脚处平行主流和台阶处垂直主流的后台阶分离流动控制进行了实验研究，分析了吸气流量系数对再附点长度和流场结构的影响。陈国定和明晓[103对不同吹吸气位置的后台阶分离流动控制进行了研究，结果表明，该方法能够有效减小再附点长度，控制再附区附近的摩擦应力分布。Chun和Sung_11]发现利用振荡射流产生的周期性尾涡收稿日期：2015—11—02i退修日期：2015—12—14；录用日期：2016—01—08；网络出版时间：2016—01．1413：25网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V201601141325004htmI基金项

6、目：空气动力学国家重点实验室基金(JBKYl4010201)*通讯作者．Tel：0816-2461214E—mail：libinbin一8@163corn朝用格式t李斌斌．姚勇。赜蕴松．等基f合成射流的二维后台阶分离漉i动控翻!西。航空学报．2016．37(6)：1753—1762．LIBB，YAOY．GUYS．etalActivecontrolof2Dbackwardfacingstepseparatedflowbasedonsyntheticjet[JIActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016，37(6)：1753-1762．航空学

7、报dun．252016VoI．37No．6可以控制后台阶分离再附流动，当上游尾涡脱落频率S。为0．2时，可使再附点长度减小10％。Dejoan和Leschziner[12]利用周期性振荡射流对后台阶分离流动进行了控制研究，分析了振荡射流幅值和频率参数变化对后台阶流场结构的影响。从20世纪90年代中期起，以合成射流为主导的零质量射流成为主动流动控制研究的热点[13

8、。与常规射流相比，合成射流具有无需气源供应系统、结构简单、响应快、工作频带宽和零质量流率等特点，在分离流控制、推力矢量、前体涡控制、气动舵面控