李斌斌，顧蘊(yùn)松，程克明

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000； 2. 南京航空航天大學(xué) 空氣動(dòng)力學(xué)系，南京 210016)

0 引 言

合成射流又稱“零質(zhì)量”射流，其主體部件由激勵(lì)器腔體、振動(dòng)膜和射流出口組成［1］。它的工作原理是在激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，振動(dòng)膜產(chǎn)生周期性振動(dòng)，將輸入的電能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)膜的動(dòng)能，從而在激勵(lì)器出口處產(chǎn)生非定常射流。與傳統(tǒng)的被動(dòng)和主動(dòng)流動(dòng)控制方式相比［2-4］，合成射流具有無(wú)需氣源供應(yīng)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、工作頻帶寬和零質(zhì)量流率等特點(diǎn)。非常適合在飛行器表面進(jìn)行分離流動(dòng)控制，可顯著增強(qiáng)飛行器的機(jī)動(dòng)性，擴(kuò)大飛行航程。經(jīng)過合理布置的合成射流激勵(lì)器可部分代替飛行器的控制操縱面，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)重量，有利于改善飛行器氣動(dòng)性能，增加飛行器設(shè)計(jì)的靈活性。

合成射流激勵(lì)器作為形成合成射流的重要部件，其設(shè)計(jì)水平和工作性能決定了合成射流的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用效果，如何對(duì)其高效設(shè)計(jì)，以小的能耗獲取高的控制效益，是合成射流應(yīng)用于主動(dòng)控制的關(guān)鍵［5］。目前，國(guó)內(nèi)外在合成射流形成機(jī)理［6-8］、氣動(dòng)力控制［9-11］、射流矢量控制［12-14］、增強(qiáng)燃燒摻混［15-16］等方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。綜述目前對(duì)合成射流開展的研究發(fā)現(xiàn)，大多是針對(duì)單出口形式合成射流進(jìn)行的，對(duì)多出口形式下合成射流的研究工作較少，尤其是對(duì)多出口下相鄰射流間相互作用的研究仍比較缺乏。本文在對(duì)單斜出口合成射流研究的基礎(chǔ)上，提出了斜出口合成射流組的概念，有效提高了斜出口合成射流激勵(lì)器的能量利用效率，應(yīng)用PIV 相位鎖定技術(shù)對(duì)斜出口合成射流組流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，并對(duì)出口間距比參數(shù)變化對(duì)合成射流組沿壁面動(dòng)量輸運(yùn)的影響特性進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)試技術(shù)

1.1 斜出口合成射流組

本文提出的斜出口合成射流組設(shè)計(jì)思路是基于單出口合成射流激勵(lì)器，并排開有多個(gè)射流出口，同時(shí)改變相鄰射流出口間的間距比，來(lái)研究上述參數(shù)對(duì)斜出口合成射流組流場(chǎng)特性的影響。

圖1 為作者設(shè)計(jì)的斜出口合成射流組激勵(lì)器模型，激勵(lì)器主腔體尺寸為：150mm ×150mm ×80mm，射流出口長(zhǎng)度L 和寬度H 為60mm×5mm，射流出口與壁面夾角θ 為30°，相鄰間距比S/H 可調(diào)，所用揚(yáng)聲器規(guī)格為40W，8Ω。合成射流激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)功率放大器放大來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器振動(dòng)膜進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 斜出口合成射流組Fig.1 Beveled orifices of synthetic jet arrays

1.2 合成射流PIV 流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

斜出口合成射流組流場(chǎng)測(cè)試采用TSI 公司二維PIV 系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)主要由雙脈沖YAG 激光器、PIVCAM10-30 互相關(guān)CCD 數(shù)字相機(jī)、同步器、片光組件、操作與控制系統(tǒng)組成。

圖2 合成射流PIV 測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Synthetic jet PIV testing system

實(shí)驗(yàn)中為獲得斜出口合成射流組流場(chǎng)隨時(shí)間變化的周期性特性，采用相位鎖定技術(shù)進(jìn)行了條件采樣。PIV 實(shí)驗(yàn)測(cè)速系統(tǒng)精度為2%，空間分辨率為1.6mm。為滿足示蹤粒子的投放密度和流場(chǎng)均勻性，實(shí)驗(yàn)中采用香燃燒產(chǎn)生的煙作為示蹤粒子，其濃度易于調(diào)節(jié)，可滿足測(cè)量的需要。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 斜出口合成射流激勵(lì)器流場(chǎng)特性

圖3 給出了激勵(lì)器噴出段與吸入段，斜出口合成射流激勵(lì)器PIV 流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

圖3 斜出口合成射流激勵(lì)器流場(chǎng)特性Fig.3 Flow field characteristics of beveled orifice synthetic jet actuators

由圖可知：(1) 噴出段： 射流出口左側(cè)形成的集中旋渦，可以對(duì)主流邊界層內(nèi)小尺度渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控；右側(cè)形成沿壁面的附壁射流，有利于增強(qiáng)主流邊界層底層能量；(2) 吸入段： 出口左側(cè)形成的強(qiáng)卷吸區(qū)有利于將主流中高能量流體引入到近壁區(qū)，進(jìn)而與邊界層內(nèi)低能量流體進(jìn)行摻混；右側(cè)形成沿壁面的附壁射流區(qū)。在整個(gè)工作周期內(nèi)，斜出口合成射流激勵(lì)器均能夠發(fā)揮其控制作用，非常適合于邊界層流動(dòng)控制的研究。

但在實(shí)際流動(dòng)控制應(yīng)用中，考慮到往往所需要控制的流場(chǎng)區(qū)域面積較大，單出口合成射流激勵(lì)器射流流場(chǎng)發(fā)展到一定階段后，沿射流出口下游水平方向的速度分量會(huì)衰減，使得合成射流的控制效果大大削弱，甚至有可能起不到控制作用，為此作者提出了斜出口合成射流組的概念，并對(duì)其流場(chǎng)特性及控制特性進(jìn)行了研究。

2.2 斜出口合成射流組非定常流場(chǎng)特性研究

所謂斜出口合成射流組是在單斜出口合成射流激勵(lì)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，并排開有多個(gè)射流出口，并改變相鄰射流出口間距比參數(shù)。圖4 給出了激勵(lì)器工作電壓U =3.7V，頻率fs=80Hz，相鄰射流出口間距比S/H=3.0 時(shí)，雙縫與三縫斜出口下合成射流噴出段與吸入段的瞬態(tài)流場(chǎng)特性。

由圖可知，(1) 噴出段： 噴出的流體在出口左側(cè)尖銳邊緣由于受到強(qiáng)剪切作用，在出口處會(huì)形成強(qiáng)的旋渦結(jié)構(gòu)，出口右側(cè)形成沿壁面的附壁射流； ( 2) 吸入段：出口左側(cè)的環(huán)境流體被引入到近壁區(qū)，出口右側(cè)流體由于渦的自誘導(dǎo)與射流附壁效應(yīng)，呈現(xiàn)沿壁面切向的動(dòng)量輸運(yùn)特性。

不同之處在于，三縫與雙縫、單縫相比，在每個(gè)射流出口處都會(huì)形成強(qiáng)的旋渦與沿壁面的附壁射流，由于旋渦的誘導(dǎo)作用、射流沿壁面的附壁效應(yīng)及相鄰射流出口間旋渦與附壁射流所形成的相互連續(xù)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，斜出口合成射流組更有利于將主流中高動(dòng)量流體沿物面切線方向引入到邊界層底層，從而增加邊界層底層能量分布，達(dá)到延遲分離流動(dòng)控制的目的。

圖4 斜出口合成射流組瞬態(tài)流場(chǎng)特性( S/H=3.0)Fig.4 Instantaneous flow field characteristics of beveled orifices of synthetic jet arrays

圖5 給出了出口間距比S/H =3.0，雙縫和三縫斜出口下，合成射流沿壁面切向的速度分布。

由圖可知，三縫斜出口下合成射流沿壁面切向的速度分布要優(yōu)于雙縫，合成射流具有沿壁面切向更強(qiáng)的動(dòng)量輸運(yùn)特性，且流體沿壁面的流動(dòng)更貼近于近壁面區(qū)。

圖5 合成射流沿壁面切向速度分布( S/H=3.0)Fig.5 Tangential velocity distribution along the wall of the synthetic jet

2.3 間距比變化對(duì)合成射流組流場(chǎng)特性的影響

對(duì)雙縫和三縫斜出口合成射流組流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明三縫斜出口下合成射流組具有沿水平方向更強(qiáng)的射流速度分布，更加有利于進(jìn)行邊界層流動(dòng)控制。那么，當(dāng)相鄰射流出口間距比變化時(shí)，斜出口合成射流組沿水平方向的橫流輸運(yùn)特性如何?

圖6 以三縫斜出口合成射流組為例，給出了相鄰射流出口間距比為1.6 和3.0 時(shí)，合成射流沿出口切向的速度分布特性。

由圖可知，當(dāng)相鄰出口間距比為3.0 時(shí)，合成射流具有沿壁面切向更強(qiáng)的動(dòng)量輸運(yùn)特性，體現(xiàn)為合成射流沿壁面切向具有更高的速度分量。說(shuō)明射流出口間距比對(duì)斜出口合成射流組沿水平方向的動(dòng)量輸運(yùn)特性具有重要影響。為了對(duì)這一特殊現(xiàn)象進(jìn)行解釋，圖7 給出了間距比變化時(shí)斜出口合成射流組流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖可知，單縫斜出口合成射流沿水平方向的動(dòng)量輸運(yùn)特征，主要來(lái)源于出口左側(cè)旋渦的誘導(dǎo)作用及射流沿壁面的附壁射流效應(yīng)。對(duì)于斜出口合成射流組，當(dāng)射流間距比較大時(shí)，受相鄰射流出口間旋渦與附壁射流誘導(dǎo)作用范圍的限制，相鄰射流出口間無(wú)法形成接力誘導(dǎo)作用。當(dāng)射流間距比較小時(shí)，以S/H=1.6 三縫斜出口為例，由于旋渦誘導(dǎo)與附壁射流間形成的流場(chǎng)速度梯度差方向相反，受第一斜出口射流沖擊作用的影響，在第二斜出口處形成的旋渦強(qiáng)度減弱，旋渦與附壁射流相互耦合后流體受到的速度梯度差減小，使得第二斜出口處旋渦與附壁射流間形成的接力誘導(dǎo)作用減弱。因此，斜出口合成射流組間形成的相互連續(xù)接力誘導(dǎo)特征存在于一定范圍的間距比。

圖6 間距比對(duì)合成射流沿切向速度分布特性的影響Fig.6 Impact of spacing ratio the to the tangential velocity distributions of synthetic jet

圖7 斜出口合成射流組流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Sketch of the flow field of beveled orifices synthetic jet arrays

2.4 斜出口合成射流組流動(dòng)控制效率探討

為了對(duì)斜出口合成射流組流動(dòng)控制效率進(jìn)行探討，對(duì)斜出口合成射流組沿射流出口水平方向的質(zhì)量和能量變化特性進(jìn)行了PIV 流場(chǎng)數(shù)據(jù)的積分處理。圖8 給出了激勵(lì)器工作電壓U =3. 7V，頻率fs=80Hz，相鄰射流出口間距比S/H =3.0 時(shí)，單縫、雙縫和三縫斜出口下合成射流質(zhì)量和能量沿水平切向的變化特性曲線。

由圖可知，在同樣的合成射流激勵(lì)器能量輸入情況下，三縫與雙縫和單縫斜出口相比，合成射流具有沿壁面水平方向更強(qiáng)的質(zhì)量和能量分布，說(shuō)明在三縫斜出口情況下，合成射流能夠更加有效地對(duì)射流出口流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，使得合成射流具有沿射流出口水平方向更強(qiáng)的能量輸運(yùn)，更加利于邊界層流動(dòng)控制。

圖8 斜出口合成射流組質(zhì)量和能量沿水平方向的變化特性Fig.8 The variation characteristics of mass and energy in the horizontal direction of beveled orifices synthetic jet arrays

3 結(jié) 論

提出了斜出口合成射流組的概念，應(yīng)用PIV 相位鎖定技術(shù)對(duì)斜出口合成射流組非定常流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，并針對(duì)出口間距比參數(shù)變化對(duì)合成射流組沿壁面切向動(dòng)量輸運(yùn)的影響特性進(jìn)行了初步探討，主要結(jié)論有：

(1) 提出了斜出口合成射流組的概念，有效提高了斜出口合成射流激勵(lì)器的能量利用效率。

(2) 斜出口合成射流組具有沿壁面更強(qiáng)的動(dòng)量輸運(yùn)特性，主要來(lái)源于旋渦間的誘導(dǎo)作用、射流沿壁面的附壁效應(yīng)及相鄰射流出口間旋渦與附壁射流所形成的相互“耦合誘導(dǎo)”運(yùn)動(dòng)。

(3) 射流出口間距比是影響合成射流組動(dòng)量輸運(yùn)特性的重要參數(shù)。當(dāng)射流間距比較小時(shí)，受斜出口射流沖擊作用的影響，旋渦誘導(dǎo)與附壁射流間流體受到的速度梯度差減小，使得斜出口處旋渦與附壁射流間形成的相互接力誘導(dǎo)作用減弱。當(dāng)射流間距比較大時(shí)，受相鄰射流出口旋渦與附壁射流誘導(dǎo)作用范圍的限制，相鄰射流出口間無(wú)法形成接力誘導(dǎo)作用，合成射流沿壁面的動(dòng)量輸運(yùn)特性也會(huì)減弱。

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