多种流动控制技术9787030464644
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作者谢永慧，张荻，吕坤编著
出版社科学出版社
ISBN9787030464644
出版时间2016-09
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定价80元
货号8943717
上书时间2024-12-23
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目录
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前言
1 绪论 1
1.1 流动分离现象 1
1.2 基于涡旋射流的主动流动控制技术 2
1.2.1 射流式涡旋发生器 3
1.2.2 涡旋射流流动特性 4
1.3 基于合成射流的主动流动控制技术 5
1.3.1 合成射流激励器 6
1.3.2 合成射流控制技术的研究和应用 6
1.4 流动分离的被动控制技术 8
1.5 振荡扑翼的流场结构控制 10
1.5.1 振荡扑翼的推进特性 11
1.5.2 振荡扑翼的能量采集 11
1.6 本书的主要内容 12
2 数值与实验方法 14
2.1 热线流速测试技术 14
2.1.1 热线流速测试技术基本原理 14
2.1.2 IFA300热线测试系统 15
2.1.3 壁面温度修正 16
2.2 PIV测试技术 16
2.2.1 PIV基本原理 16
2.2.2 PIV测速系统 17
2.2.3 示踪粒子的选择 19
2.3 实验测试误差分析 19
2.3.1 热线测量误差分析 19
2.3.2 PIV测量误差分析 20
2.4 数值研究方法 20
2.4.1 湍流流动的数值研究方法 20
2.4.2 大涡模拟方法 21
2.4.3 雷诺时均方法 25
2.5 湍流相干结构的涡识别 26
2.5.1 湍流相干结构的涡识别简述 26
2.5.2 速度梯度张量第2不变量——Q定义 27
2.5.3 Hessian矩阵分析法—— 定义 28
2.6 结论 29
3 基于涡旋射流的主动流动控制技术研究 30
3.1 涡旋射流控制扩压器流动分离的实验研究 30
3.1.1 涡旋射流控制圆锥扩压器流动分离的实验研究 30
3.1.2 涡旋射流控制矩形扩压器流动分离的实验研究 37
3.2 涡旋射流控制扩压器流动分离的数值研究 44
3.2.1 数值计算方法 44
3.2.2 涡旋射流控制圆锥扩压器流动分离的数值研究 45
3.2.3 涡旋射流控制矩形扩压器流动分离的数值研究 52
3.3 涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离的实验及数值研究 59
3.3.1 实验系统及实验装置 59
3.3.2 实验结果分析 61
3.3.3 数值计算方法 62
3.3.4 各工况的大涡模拟结果分析 63
3.4 结论 75
4 基于合成射流的低压高负荷透平叶栅边界层分离控制研究 77
4.1 合成射流技术原理及数学描述 77
4.1.1 合成射流技术原理 77
4.1.2 合成射流激励器的数学模型及影响因素 78
4.1.3 合成射流与主流的相互作用 81
4.2 低压透平PakB叶栅流动分离的合成射流控制 82
4.2.1 研究对象及数值方法 82
4.2.2 低压透平PakB叶栅流动特性的数值研究 84
4.2.3 合成射流控制PakB叶栅流动分离的数值研究 86
4.3 考虑尾迹影响的PakB叶栅流动分离的合成射流控制 99
4.3.1 考虑尾迹影响的PakB叶栅流动分离的实验研究 99
4.3.2 考虑尾迹影响的PakB叶栅流动分离的数值研究 103
4.3.3 考虑尾迹影响的PakB叶栅流动分离的合成射流控制研究 105
4.4 结论 107
5 球窝结构的流动控制研究 108
5.1 布置单个/单排球窝的平板流动实验与数值研究 108
5.1.1 布置单个球窝的平板流动实验和数值研究 108
5.1.2 采用球窝控制逆压梯度平板边界层分离流动的大涡模拟 115
5.2 球窝控制PakB叶栅流动分离的数值研究 122
5.2.1 研究对象及数值方法 122
5.2.2 无球窝控制时PakB叶栅稳态流动特性 124
5.2.3 采用球窝进行流动控制时PakB叶栅稳态流动特性 125
5.3 结论 128
6 振荡扑翼的推进特性及能量采集研究 130
6.1 高频俯仰扑翼推进特性研究 130
6.1.1 研究对象及数值方法 130
6.1.2 扑翼振型 131
6.1.3 小振幅时俯仰扑翼推进特性研究 132
6.1.4 大振幅时俯仰扑翼推进特性研究 134
6.1.5 非正弦振型对俯仰扑翼推进特性的影响 137
6.1.6 弯度对俯仰扑翼推进特性的影响 141
6.2 沉浮扑翼推进特性研究 142
6.2.1 沉浮扑翼振型 142
6.2.2 研究工况 142
6.2.3 不同振型对沉浮扑翼推进特性的影响 143
6.3 采用新型俯仰振型的扑翼推进特性研究 146
6.3.1 新型俯仰振型 146
6.3.2 网格和时间步无关性验证 147
6.3.3 运动参数对新型俯仰扑翼推进特性的影响 148
6.3.4 非正弦振型对新型俯仰扑翼推进特性的影响 153
6.3.5 翼型形状对新型俯仰扑翼推进特性的影响 156
6.4 振荡扑翼能量采集特性研究 162
6.4.1 扑翼能量采集振型 162
6.4.2 扑翼能量采集功率和效率 163
6.4.3 名义攻角对扑翼能量采集效果的影响 164
6.4.4 有效攻角变化模式对扑翼能量采集效果的影响 168
6.4.5 非正弦俯仰振型对扑翼能量采集效果的影响 172
6.4.6 非正弦沉浮振型对扑翼能量采集效果的影响 175
6.4.7 非正弦俯仰与非正弦沉浮耦合运动对扑翼能量采集效果的影响 177
6.5 结论 178
参考文献 180
内容摘要
1 绪论
1.1 流动分离现象
流动分离是流体力学中一类很好重要而又复杂的流动现象，普遍存在于航空航天、动力机械等各类实际工程中。如图1-1所示，当流体绕钝体或曲面流动且未发生分离时，边界层外的流动可视为势流。而在边界层内，由于S2点之前沿流动方向压强逐渐减小（压强梯度为负，顺压梯度），因此作用在流体质点上的压力合力方向与流动方向一致，并与边界层内黏性阻滞作用相反。当流体流过S2点后，压强逐渐增大（压强梯度为正，逆压梯度），作用在流体质点上的压力合力方向与流动方向相反，在逆压梯度与黏性阻力的双重作用下，边界层内的流动在S3点开始发生分离，此时靠近壁面的流体实际上变为回流或逆流，流场中出现大尺度不规则旋涡，旋涡中流体的机械能一部分耗散并转化为热能，因此分离点下游的压强近似等于分离点处的压强[1]。边界层在分离后，不断地卷起旋涡并流向下游形成尾迹，尾迹一般在流体下游会延伸一段距离。
图1-1 壁面边界层流动分离示意
在许多动力机械中，流体从固壁表面分离是不可避免的。尽管分离流动可以提高热量和质量的传输以及混合效率，但由于其固有的非定常性，往往造成大量的能量损耗。流动分离不仅会引起飞行器的阻力增大、升力减小，导致回流甚至失速，还会降低动力机械的运行效率，使动力机械产生振动并危害机组安全运行。例如，在轴流压缩机中，绕流叶栅的流动发生分离会使压缩机进入旋转失速和喘振等不稳定的破坏性工况，导致压比和效率急剧下降，振动增加，甚至造成重大事故。因此，加深对分离流动物理过程的认识，发展分离流动控制技术，一直是学术界和工程界关注的焦点。
进行流动控制的目的包括延迟/加速转捩、抑制/加强湍流、阻止/促进分离等，从而减小阻力、增加升力、加强掺混、加强热传导并抑制流动引起的噪声，具有广泛的工程应用前景。进行流动控制还可以在很大程度上提高动力机械的性能。例如，在透平机械叶片表面进行流动控制可以延迟流动分离，提高压比和质量流量；在机翼表面进行控制可以使流动状态从层流转捩为湍流，降低流动阻力；而对火箭发动机进行流动控制则可以增大掺混程度，提高燃烧效率及比冲，使发动机的小型化成为可能，同时可以大大提高火箭及导弹的机动性、经济性，增大射程和载荷，提高能源利用率。
流动控制技术按控制方式分为被动控制与主动控制。被动控制是没有辅助能量消耗的流动控制。这种控制技术通过改变流动边界条件、压强梯度等达到控制流动的目的，主要采用调节优化几何型面来实现（如在物体表面使用固体涡旋发生器[1-3]、在分离点上游物体表面加工一系列横向或纵向沟槽[4，5]、在物体表面布置粗糙单元[6，7]等方法来减少或抑制流动分离）。这种控制是事先确定的，当实际情况偏离设计状态时，控制效果有可能达不到很好设计状态。主动控制是将辅助能量引入流动的控制。采用这种控制方法时，需要在流动环境中直接注入合适的扰动，使之与系统内的流动相互作用达到控制目的。主动控制方法包括表面运动[8]、连续或间断吸吹[9-12]以及以激光、电子束、等离子体[13-16]等为载体输入能量的方法。流动分离的主、被动控制方法各有优缺点，被动控制的优点在于结构简单，无需额外添加装置或系统，但是变工况性能较差，不能根据主流工况的变化进行相应的调整，而且会增大流动阻力。主动控制的优势在于具有良好的变工况性能，可以根据工况的变化改变自身结构或流动参数，从而达到很优的控制效果，但是主动控制方法往往需要添加额外的装置或系统，从而增加了系统本身的复杂性。
1.2 基于涡旋射流的主动流动控制技术
Wallis[10]在20世纪50年代提出了采用涡旋射流来抑制和延迟湍流边界层分离的方法，他利用设置在固体壁面上与流动方向形成一定夹角的射流孔向主流中喷射流体，使其生成离散的纵向涡，从而对边界层分离和流动失速进行控制。近年来，随着计算机技术、现代流动测试技术的迅速发展，对涡旋射流控制方法及其应用的研究越来越广泛。目前，相关研究和应用主要集中在扩压器、透平叶片和机翼的流动分离控制。
涡旋射流（vortex generator jets，VGJs）能够在湍流边界层中产生较高强度的纵向涡，在逆压梯度环境下，这种纵向涡能够抑制或消除湍流区域的流动分离[11]，其对边界层的控制作用受到射流方向[17-19]、射流速度比[11，17，20]、射流孔形状[21，22]、射流管布置[21，23]等多个参数的共同影响，大部分关于涡旋射流对流动分离控制效果的研究都围绕这几方面展开。
1.2.1 射流式涡旋发生器
射流式涡旋发生器是基于固体涡旋生成器原理发展起来的一种边界层分离主动控制方法，它服了固体涡旋生成器被动控制的缺点，对流场的控制可以随时间快速响应，连续和准确地提供各种工况下边界层分离控制所需要的喷射流量，在不需要控制时能方便迅速地关闭，因此不会向流场中引入附加阻力损失。按流动控制方式可将射流式涡旋发生器分为定常涡旋射流和脉冲涡旋射流两种类型。图1-2和图1-3分别展示了用于控制透平叶片和机翼吸力面流动分离的射流式涡旋发生器布置图。
图1-2 射流控制透平叶片流动分离[24]
图1-3 射流控制机翼前缘流动分离[25]
如图1-4所示，典型的涡旋射流主要参数包括：射流方向角（包括射流倾斜角α和射流偏斜角β），射流速度比（其中ujet为射流平均速度，为主流速度），以及射流孔径与边界层厚度比d/δ。如果需要布置多个射流发生器，则要考虑射流孔的个数及间隔。对于脉冲射流，还需要引入脉冲频率f和占空比（duty cycle，DC）。
在使用涡旋射流控制流动分离的过程中，涡旋发生器向主流倾斜喷射一股射流，使流场具有了很强的三维特性。射流流动在射流边界处形成速度剪切层，剪切层失稳将产生一个沿主流方向的旋涡，该旋涡能够将主流边界层外的高能流体卷入边界层内，增加边界层内部流体的能量，达到控制流动分离的目的。此外，与传统的定常涡旋射流相比，脉冲涡旋射流生成的纵向涡更容易渗入边界层内，从而更为有效地控制流动分离，并且当质量流量相同时，脉冲涡旋射流能够更大程度地延缓大攻角机翼的流动分离，大幅度减小分离区面积[12]。
1.2.2 涡旋射流流动特性
涡旋射流的流动特性与传统的横向射流类似。主流遇到射流阻碍形成绕流，造成射流前后流场压强分布不对称，于是在主流的推力作用下，射流发生弯曲。当涡旋射流形成稳定的流动状态后，整个射流分为以下3个区域。
（1）起始段。在射流出口近区存在一个势流核心区，从射流出口到势流核心区末端为射流的起始段。射流在起始段弯曲不大，基本沿出射方向流动。
（2）弯曲段。从势流核心区末端至射流逐渐与横流平行为弯曲段。在弯曲段，由于受到很高的横向压强梯度作用，射流轨迹发生弯曲，流速衰减较快，并且由于绕流的作用，在射流两侧形成一对反向旋涡。
（3）顺流贯穿段。弯曲段之后即为顺流贯穿段。在顺流贯穿段，射流方向基本与横流方向一致，主流的绕流作用基本消失，射流对主流的影响逐渐减弱，直至消失[26]。
射流流场特性由大尺度相干结构控制，流动状态很好复杂。图1-5给出了射流与主流相互作用形成的主要涡系结构[27]。在射流近场区域有比较明显的4种涡结构并存，分别是射流剪切层涡（jet shear-layer vortices）、马蹄涡系（horseshoe vortices）、尾迹涡（wake vortices）和反向涡对（counter-rotating vortices）。这4种涡结构相互作用、彼此关联。射流剪切层涡破裂后，反向涡对形成，同时马蹄涡向下游发展，进入尾迹区，而尾迹涡则将部分涡量输运至射流内部的反向涡对。这几种涡之间的作用直接影响着射流和主流流场的变化。
1．射流剪切层涡
射流剪切层涡是由于射流与主流之间速度大小和方向存在差异，导致剪切层失稳而产生的涡结构。射流剪切层的涡系为涡环结构[28]，涡环之间存在相互作用，涡环的边界在与相邻涡环的作用中被消除，出现涡环合并现象[29]。如果射流垂直射入主流，则射流剪切层涡中不一定存在环形涡，并且在射流出口形成的反向涡对将抑制涡环的生成[30]，若涡环无法形成，则涡层将直接变形和卷起形成射流的大尺度涡结构，同时，剪切层涡还会演化成一些小尺度的非定常肾状或反肾状涡对[31]。
图1-5 涡旋射流的结构[27]
2．马蹄涡系和尾迹涡
马蹄涡系是主流受到射流的阻碍作用，围绕射流形成的大尺度涡结构。对于方形射流流动，位于射流上游的马蹄涡系随射流与主流速度比的变化而不同，且马蹄涡系的形成具有一定的周期性，其频率与射流尾迹中涡的频率接近[32]。尾迹涡则是壁面边界层掠过射流边界时形成的分离现象，由于主流的绕流作用，射流主体边界受到剪切发生变形，在射流背流面下游会形成连接射流体和壁面边界层的垂向尾迹涡结构[33]。
3．反向涡对
反向涡对是流向截面上一对旋转方向相反的涡结构。关于反向涡对的形成，有多种解释，但尚未有定论。Broadwell等[34]认为反向涡对是主流远区的流动特性。Moussa等[35]发现射流剪切层涡环卷起时朝着射流的方向旋转，并认为反向涡对起始于射流边界的剪切层，在射流进入主流时便已生成。Cortelezzi等[36]采用三维涡元法对反向涡对进行了研究，认为涡环的折叠运动导致了反向涡对的产生，并证实了Kelso等[28]在实验中发现的涡环卷起、相互作用、倾斜折叠等现象。
1.3 基于合成射流的主动流动控制技术
合成射流（synthetic jet）又称零质量射流，是一种采用流体激励器进行流场主动控制的全新技术。由于工质来源于主流流体，无需外部供应流体，因此控制结构比较简单，所需能量极小。Ingard等[37]在1950年就已利用声波使管内空气产生振动，进而在圆管两端的小孔得到一系列涡环结构，但直到1993年，Wiltse等[38]的研究才使合成射流技术真正成为一种主动流动控制技术，其后该技术迅速成为相关研究的热点。靠前，明晓等[39]在20世纪80年代末也开始研究零质量射流各种现象的形成机理，并将其应用于流动分离的主动控制。
1.3.1 合成射流激励器
合成射流激励器（synthetic jet actuator，SJA）是采用合成射流进行流动控制时的关键部件，主要由激励器腔体和振动薄膜两部分组成。其结构形式是在激励器的一端开有小孔或细缝，在另一端安装有振动薄膜。振动薄膜包括压电材料和金属薄膜，主要作用是将电信号转化为薄膜的振动特性，将电能转换为薄膜的动能，然后带动激励器空腔中的流体振动，产生吹、吸作用，每个周期的质量流量为零。图1-6为典型的合成射流激励器结构图。
图1-6 合成射流激励器结构示意图[40]
1.3.2 合成射流控制技术的研究和应用
合成射流技
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