等离子体对流动湍动能的控制.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec252015Vol36No．123809—3821ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaaeduCFI等离子体对流动湍动能的控制王斌，李华星*西北工业大学航空学院，西安710072摘要：在湍流流动中，雷诺应力是一个能够影响平均流动的重要动态量，它可以在很大程度上影响湍流中动能的传输，强烈影响表面摩擦力，对于摩擦阻力和流动的分离起着至关重要的作用。因此，本文的实验目的是：针对

2、后台阶流动，特别设计了能够沿着45。方向形成射流的直角形状等离子体激励器对后台阶流动中的雷诺应力进行控制，同时实现对后台阶流动再附着位置的改变。实验过程中，按照台阶后流向位置0．5H(H为台阶高度)的自然不稳定性频率对直角形状等离子体激励器的脉冲频率进行调制。使用PIV对台阶后0～2．5H的区域以及再附着区域进行测量。实验结果表明：在直角形状等离子体激励器开启后，在台阶后o～2．5H的区域，围绕剪切层及其附近区域的雷诺应力各分量在最大数值上分别增加了42Yo(流向雷诺正应力)，75％(垂向雷诺正应力)，46％(雷诺切应力)，

3、湍动能产生项在最大数值上减小了35％。在再附着区域，后台阶流动的再附着位置也向台阶的上游发生了移动。关键词：流动控制；等离子体；雷诺应力；湍流能量；PIV中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)12-3809—13流动的分离和再附着一直以来都是空气动力学领域研究的热点问题，不仅因其包含了湍流流动的主要特征，更重要的是在实际工程应用中存在着大量此类流动现象口]。此外，在湍流流动中，雷诺应力在很大程度上会影响动能的传输，从而在近壁区域强烈影响表面摩擦力，继而影响摩擦阻力和流动的分离。因此，如果能

4、够通过主动流动控制的方式周期性地对流动施加激励，进而获得对雷诺应力的有效控制，对于飞行器的减阻、流体机械效率的提高以及改善振动、噪声等不利因素都有着积极的意义。多年来，人们对于湍流流动的研究获得了大量的成果，如：张振辉和李栋[2]运用合成射流的主动流动控制方式对后台阶的再附着分离流动的整体特征进行了研究，运用热线风速仪对分离剪切层中的雷诺应力进行了测量，使用Sublayerfences装置对台阶下游壁面的表面摩擦力进行了测量，讨论了表面摩擦力和流动分离与雷诺应力的相关性。葛铭纬等[33采用谱方法，对反向控制下壁面主动变形的槽

5、道湍流进行了直接数值模拟研究。结果表明，在壁面最大变形量小于5倍黏性尺度条件下，压差阻力可忽略。摩擦阻力降低7．6％。施加控制后，湍流强度和雷诺应力受到明显抑制。高小明等[41采用数值模拟的方法对矩形槽道内湍流的流动与传热特性进行了研究，并对充分发展湍流边界层内的法向脉动速度和展向脉动速度分别进行了控制，对添加控制后的槽道流动与传热特性进行了研究。刘薇等[5]采用热线测速技术和双丝边界层热线探针，精细测量了平板湍流边界层施加不同频率周期性质量引射前后，不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号，发现在扰动

6、源下游一定收稿日期：2015—07—23；退修13期：2015—08—18；录用日期：2015—09—11；网络出版时间：2015—09—1611：10网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V201509161110008html*通讯作者．Tel：029．88460793E—mail：hxli@nwpueducr)引用格武：WangB。LiHXControlofflowturbulentkmet地energybyplasma[JJActaAeronauticaetAstronautica

7、Sinica，2015，36(12)：3809．3821i斌．李华星等离子体对流动端动能的控觏￡Jji航空学报，2015。36(12)：3809-3821航空学报范围内，摩擦因数和雷诺应力幅值有所减小，扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差，使其保持在丌／2的奇数倍左右，此时雷诺应力几乎为0，改变了湍流边界层原有雷诺应力的产生和扩散输运机制，抑制了湍流雷诺应力的产生和输运。李万平等[6]在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动，对尾流扰动下的湍流边界层内部进行了测量，给出了湍流边界层内的

8、雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势。姜华和席光口3使用X热膜技术，在设计流量下，分别对3个进口导叶预旋角下的叶轮出口和扩压器进口不同叶高处的非定常流场进行了测量，分析了不同进口导叶预旋角下雷诺应力的分布。研究结果表明：现有的各向同性湍流模型