DBD涡流发生器及其在角区流动控制中的数值研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJun．252016V01．37No61743—1752ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaaedu．CRhkxb@buaa．educaDOI：10．7527／$1000—6893．2016．0006DBD涡流发生器及其在角区流动控制中的数值研究徐向南，张华*，胡波北京航空航天大学航空科学与工程学院教育部流体力学重点实验室，北京100083摘要：为明确介质阻挡放电(DBD)涡流发生器对马蹄涡的影响，在采用唯象模型的基础上，通过数值方法研究

2、了DBD涡流发生器诱导产生流向涡的结构特性及其对马蹄涡的控制特性。研究结果表明，流动在激励器上游边缘处形成羊角涡．自由剪切层卷入流向涡的涡核并为其提供持续涡量；在柱体根部角区流动中，当对称面两侧激励器诱导流动指向对称面，诱导涡与马蹄涡环绕方向相反时，马蹄涡可以得到有效抑制，反之，则控制效果不佳。最后得出，诱导涡对下游马蹄涡的控制机制体现在其黏性扩散作用、掺混作用以及低压效应3个方面。关键词：DBD涡流发生器；数值模拟；流向涡；角区流动；马蹄涡中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)06—1743一10等离子体气动激励作为

3、一种主动控制手段，具有响应快、频带宽、能耗低和无移动部件与复杂气体输运系统等优点；在提高升阻比[1_3]、增大失速迎角[4]、实现噪声控制口‘61以及减弱激波强度[7]等方面具有广泛的应用前景，受到众多学者青睐[7’9]。关于等离子体流动控制机理存在两种观点：①诱导周围气体流动，向边界层注入动量以抵抗更强逆压梯度；②以激励器诱导涡结构来加强边界层内掺混作用，最终实现对附面层的有效控制。以介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器作为涡流发生器诱导产生流向涡可以作为一种新的设计理念，具有重要的研究价值。20世纪末，在Roth等[10]应用等离子体气动激励进行边界

4、层流动控制的实验中，DBD激励器诱导产生流向涡的设计理念就已初见雏形。在数值模拟中，Riherd等[1妇将蛇形电极条布置在翼型上，以诱导产生的完整空间涡结构实现了对边界层分离的有效控制，并且发现蛇形现象越明显，控制效果越好。随后，Riherd和Royll23指出流动在这种蛇形激励器控制下会表现出两种特性：①在距离激励器很近的下游区域产生定向射流；②诱导产生环绕方向相反的流向涡。Rizzetta和Visbal[1胡应用大涡模拟对蛇形等离子体激励器作用下的低雷诺数翼型绕流进行了数值模拟，并分析了其作用机理。虽然该布置方式获得了和标准布置方式一样好的控制效果，

5、加速了边界层流动，但不同之处是该布置方式产生的非均匀展向力抑制了二维涡结构的出现。以上有关蛇形激励器控制翼型分离的研究在一定程度上体现了DBD涡流发生器诱导产生流向涡的控制理念。在双圆柱扰流实验中，Opaits等[41引入了DBD涡流发生器的思想(即沿周向布置电极条)，有效抑制了上游柱体卡门涡街的脱落，进而促进了尾流与下游柱体的良性接触，实现了对噪声的有效控制。Okita等¨胡在NACA翼型上沿流向收稿日期：2015-10—21；退修日期：2015—11．18；录用日期：2016·01-05；网络出版时间：2016—01-1114：55网络出版地址：WW

6、W．cnkinet／kcms／detail／111929V．201601111455002．html基金项目：国家自然科学基金(11372027)*通讯作者．Tel．：010-82339908E—mail：Ltszhh@buaa．edu．CFI引用格武；徐向南．张华．胡波DBD涡流发生器及其在角区流动控翻中的数值研究!JI．虢空学撮．2016．37(6)：1743—1752．XUXN，ZHANGH。HU8NumericalstudyofDBDvortexgeneratorandapplicationinjunctionflowcontro

7、CJjActa

8、AeronauticaetAstro—nauticaSinica．2016，37(6)：1743-1752航空学报Jun．252016VoI37No．6布置电极条，并将DBD等离子体激励器作为一种涡流发生器，以其诱导产生的大尺度流向涡结构有效延缓了翼面分离。Schatzman和Thomas[I朝在边坡流动控制实验中，以两对DBD涡流发生器诱导产生的一对环绕方向相反的流向涡实现了湍流边界层的再附；并且发现了相对于定常或非定常的展向布置理念，使流向布置方式在边界层掺混作用中体现出了更好的优越性。在此基础上，Jukes和ChoiL】阳通过实验对DBD涡流发生器

9、进行了深入研究，发现流向涡的强度随着诱导速度与来流速度比率的增大而增大，且电极条