李斌斌， 姚勇， 顧蘊松， 程克明

1.西南科技大學 土木工程與建筑學院， 綿陽　621010 2.南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京　210016

?

基于合成射流的二維后臺階分離流主動控制

李斌斌1,*， 姚勇1， 顧蘊松2， 程克明2

1.西南科技大學 土木工程與建筑學院， 綿陽621010 2.南京航空航天大學 航空宇航學院， 南京210016

作為一種新的流動控制激勵器，合成射流技術(shù)在流動分離控制、降低壓力脈動和抑制噪聲等方面具有廣闊的應用前景。實驗利用合成射流主動控制技術(shù)對二維后臺階湍流分離再附流動控制進行了研究，應用表面測壓、粒子圖像測速(PIV)和熱線等多種實驗測試技術(shù)對后臺階表面壓力分布、流場結(jié)構(gòu)以及剪切層特性進行了測試。結(jié)果表明，在臺階前緣施加合成射流可有效減小回流區(qū)范圍和降低再附長度，當合成射流的動量系數(shù)為0.301×10-3時，可使再附點長度減小25%。合成射流控制使得沿臺階下游的湍動能和雷諾應力增強，提高了臺階下游流場的混合效率。熱線動態(tài)結(jié)果表明頻率是后臺階分離流動控制的關(guān)鍵參數(shù)，當頻率為260 Hz、激勵頻率與剪切層渦脫落頻率之比為1.32、激勵頻率等同于旋渦脫落頻率時，合成射流控制效果最好，僅需消耗較小的能量即可實現(xiàn)流動控制的目的。

合成射流； 后臺階； 流動控制； 流動分離； 再附點長度

后臺階(Backward Facing Step， BFS)流場是典型的邊界層分離后再附之流場，亦稱為突張室流場[1-2]。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但因流場性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)堅固，流場內(nèi)流體的混合效率極佳，故常被應用于駐焰器、燃燒室、擴張器、機翼與建筑物周圍風場等工程中[3-5]。后臺階流動的分離將會導致一些不利的影響，如高速旋渦的形成、壓力損失、脈動增大以及噪聲等[6]。因此，有必要采取流動控制措施來抑制其分離流動。

后臺階的流動分離控制可分為被動控制和主動控制[7]。被動控制是指沒有外部能量的注入，如在流場中加入各種形狀的擾流片或渦流發(fā)生器等。利用渦流發(fā)生器在流場下游形成流向渦，提高流場的混合效率，從而降低分離區(qū)范圍?？刂品椒ê唵我仔校嬖跓o法根據(jù)實際工況進行調(diào)節(jié)的缺陷。Park等[8]利用三角形擾流片形成的流向渦，使分離區(qū)減小20%以上。僅增加了流場部分區(qū)域的動量交換，對流場中大多數(shù)區(qū)域的動量交換降低。

主動控制是在流場中直接施加適當?shù)臄_動模式，并與流動的內(nèi)在模式相耦合來實現(xiàn)對流動的控制。在以往的研究中，吹吸氣控制被廣泛應用于后臺階的分離流動控制。Sano等[9]對臺階階腳處平行主流和臺階處垂直主流的后臺階分離流動控制進行了實驗研究，分析了吸氣流量系數(shù)對再附點長度和流場結(jié)構(gòu)的影響。陳國定和明曉[10]對不同吹吸氣位置的后臺階分離流動控制進行了研究，結(jié)果表明，該方法能夠有效減小再附點長度，控制再附區(qū)附近的摩擦應力分布。Chun和Sung[11]發(fā)現(xiàn)利用振蕩射流產(chǎn)生的周期性尾渦可以控制后臺階分離再附流動，當上游尾渦脫落頻率St為0.2時，可使再附點長度減小10%。Dejoan和Leschziner[12]利用周期性振蕩射流對后臺階分離流動進行了控制研究，分析了振蕩射流幅值和頻率參數(shù)變化對后臺階流場結(jié)構(gòu)的影響。

從20世紀90年代中期起，以合成射流為主導的零質(zhì)量射流成為主動流動控制研究的熱點[13]。與常規(guī)射流相比，合成射流具有無需氣源供應系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡單、響應快、工作頻帶寬和零質(zhì)量流率等特點，在分離流控制、推力矢量、前體渦控制、氣動舵面控制、旋翼流動控制以及無人機流動控制等方面具有廣泛的應用[14-17]。在流動分離控制方面，合成射流具有控制邊界層流動分離[18-19]、推遲翼型分離、延遲失速，從而提高升阻比、改善翼型氣動特性的效果[20-23]。Donovan等數(shù)值模擬了合成射流與定常射流對翼型分離流動控制的效果對比，驗證了合成射流技術(shù)在推遲邊界層分離、改善翼型氣動特性方面具有巨大的潛能[24]。合成射流對流動分離的自由剪切層控制研究相對較少，本文利用在臺階前緣形成的合成射流微擾動對后臺階流動分離形成的剪切層進行控制研究，結(jié)合表面測壓、粒子圖像測速(PIV)和熱線動態(tài)測試技術(shù)，重點研究了合成射流對后臺階再附點長度和回流區(qū)流場結(jié)構(gòu)的影響特性，揭示了合成射流射流能量和擾動頻率對剪切層的控制機制。

1　模型與實驗裝置

1.1射流風洞和后臺階模型

合成射流后臺階分離流動控制實驗在南京航空航天大學的二元直流式低速射流風洞中進行，該射流風洞實驗段為開口形式，出口截面為二元矩形，展向與橫向?qū)挾鹊某叽鐬?50 mm×50 mm。實驗中主射流速度U∞=15 m/s，以臺階高度為參考的實驗雷諾數(shù)Reh=20 548，測得射流出口中心湍流度約為3‰，射流風洞和后臺階實驗裝置如圖1所示。

實驗所用后臺階模型為典型的背向二維階梯結(jié)構(gòu)，為方便PIV流場測試，整個模型采用透明有機玻璃材料加工。后臺階模型入口截面尺寸為250 mm×50 mm，高度H1=50 mm，與射流風洞出口尺寸相一致。突張室高度H2=70 mm，與二元射流風洞試驗段出口尺寸相一致。后臺階突張室高度為70 mm，出口截面尺寸為250 mm×70 mm，臺階高度h為20 mm，模型的寬高比AR為12.5，突張比ER為1.4。

1.2合成射流激勵器

圖2為實驗設計的用于后臺階分離流動控制的合成射流激勵器。主體結(jié)構(gòu)主要由激勵器振動腔、陣列式射流出口和揚聲器振動膜組成。激勵器腔體尺寸為200 mm×200 mm×80 mm，射流出口由13個直徑d=2 mm的圓孔射流出口組成，相鄰射流出口間距為10 mm，合成射流與主流方向垂直，低音揚聲器振動膜的最大輸出功率為40 W。

1.3測試技術(shù)和方法

1) 表面測壓技術(shù)

測壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國NI公司的測壓系統(tǒng)，主要由：PXI-6284數(shù)據(jù)采集卡，信號輸入/輸出端子板，Labview軟件和數(shù)據(jù)采集電腦組成。單通道分辨率為18 bits，最大采樣率為625 kS/s，測壓傳感器量程為0.15 psi (1 psi=6.895 kPa)。沿臺階底部中心位置下游0.5h位置，每隔0.5h臺階高度依次布置有40個直徑為l.2 mm的靜壓孔，用于實現(xiàn)對臺階下表面沿程壓力分布的測量。

2) PIV流場測試技術(shù)

采用美國TSI公司PIV測試系統(tǒng)，主要由：雙脈沖Nd∶YAG激光器、互相關(guān)CCD相機、同步器、Insight軟件和示蹤粒子組成。雙脈沖激光頻率為15 Hz，測試精度為2%。圖3給出了PIV流場測試裝置布局圖。

PIV測試時激光片光位置對準臺階中心位置且與射流出口垂直，選用了香燃燒產(chǎn)生的煙粒子作為示蹤粒子，煙粒子濃度滿足測量要求。

3)熱線動態(tài)測試技術(shù)

熱線測試系統(tǒng)為南京航空航天大學自主研制的四路熱線風速儀，主要由：單絲熱線探針(直徑為5 μm)和日本小野公司的CF920動態(tài)信號分析儀組成。熱線探針的頻響為10 kHz，實驗中定義fs為臺階分離剪切層的渦脫落頻率。

2　實驗結(jié)果和分析

2.1后臺階的流動特性

依照Bradshaw和Wong[25]的實驗結(jié)果，當臺階的寬高比AR>10時，則可將其流場視為二維流動特性，本文臺階試驗模型的寬高比AR=12.5(大于10)，為了對其二維流場進行驗證，利用七孔探針測試技術(shù)對主射流沿臺階不同占位的x-y截面的x方向的主流速度Vx分布進行了測試，測試結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，主流沿x-y剖面的七孔探針時均速度場分布具有一致性，說明臺階內(nèi)部流場是滿足二維流動特性的，有利于進行合成射流的分離流動控制研究。

圖5給出了臺階下壁面壓力系數(shù)Cps隨實驗雷諾數(shù)的變化特性。隨雷諾數(shù)的變化下壁面壓力系數(shù)呈現(xiàn)如下3個典型的分布特征：① 在010的區(qū)域，表面壓力系數(shù)隨雷諾數(shù)基本無變化，說明在該區(qū)域臺階下壁面的流動呈現(xiàn)為再附流動。

圖4　七孔探針時均速度場測試結(jié)果Fig.4　Results of seven hole probe average velocity field

結(jié)合圖6中的后臺階時均速度和渦量ω圖可以看出：① 在Ⅰ區(qū)08范圍內(nèi)，主流流線貼附于臺階下壁面，流動已經(jīng)發(fā)生再附，該區(qū)域內(nèi)下壁面表面壓力系數(shù)基本無變化。

圖5　壁面壓力系數(shù)分布Fig.5　Distribution of wall pressure coefficients

圖6　時均速度和渦量分布Fig.6　Distribution of time-average velocity and vorticity　

2.2合成射流對再附點長度的控制特性

再附點長度是衡量后臺階回流區(qū)流動的一個重要特征參數(shù)，因此本文以控制電壓U=5 V為例，重點研究了合成射流控制時再附點長度隨激勵頻率的變化特性。

圖7(a)給出了利用自制的壓力監(jiān)測探針和壓力傳感器測得的無量綱再附點長度XL/h隨激勵頻率的變化曲線。由圖可知，無量綱再附點長度XL/h隨控制頻率的變化較顯著，當激勵頻率f/fs=0.71和1.32時，再附點長度XL/h達到最小，與無控制相比降低了25%。結(jié)合圖7(b)射流速度V與頻率的關(guān)系可知，當f/fs=0.71(f=140 Hz)時，合成射流速度最大，射流能量最強；而當f/fs=1.32(f=260 Hz)時，合成射流能量較弱。關(guān)于其內(nèi)在機制將在熱線測試部分加以解釋。

圖7　再附點長度隨控制頻率的變化(U=5 V)Fig.7　Changes of reattachment length with forcingfrequency (U=5 V)

本文自制的壓力監(jiān)測探針是由一對直徑?1.2 mm的不銹鋼探針管設計加工成L型，頭部采用焊錫密封成橢球形，在L型頭部正對主流前后位置開設有一個直徑?0.5 mm的前后總壓孔，構(gòu)成對臺階下壁面底層進行監(jiān)測的壓差探針。

圖8給出了控制電壓U=5 V、控制頻率f/fs=0.71，1.32，利用PIV測得的合成射流控制時，沿臺階下游流場的速度V、渦量ω、湍動能(TKE)和雷諾應力-u＇v＇的分布云圖。

圖8　合成射流控制PIV時均流場結(jié)果Fig.8　PIV time-average flow field results under synthetic jet control

由速度流線圖可以看出，在x/h<3區(qū)域，流線基本與臺階位置平行，施加合成射流控制對該區(qū)域流動的影響不顯著。在表面壓力系數(shù)受雷諾數(shù)影響較顯著的38時，隨著流場中小渦結(jié)構(gòu)的配對、合并過程的結(jié)束，渦量逐漸減弱。施加合成射流控制后，可以看出在x/h<3剪切層的發(fā)展區(qū)域內(nèi)旋渦的強度減弱，流場中旋渦配對、合并過程的長度減小。

從湍動能和雷諾應力分布可以看出，在3

2.3激勵頻率對剪切層的控制特性

對于出口位置和大小固定的合成射流激勵器，合成射流的控制效果主要取決于激勵頻率和合成射流注入的射流動量。那么，合成射流的控制機制是取決于激勵頻率還是射流能量，利用熱線對剪切層特性隨激勵頻率的變化進行了監(jiān)測。

圖9(a)給出了實驗狀態(tài)下熱線測得的分離剪切層波形圖和功率譜結(jié)果，熱線測試位置位于臺階下游(x=1.63h，y=1.04h)位置。從圖中可以看出，分離剪切層的渦脫落頻率fs=197.5 Hz，說明主流沿臺階邊緣位置發(fā)生流動分離后，是以高速運動的類平面自由剪切層形態(tài)存在的。

從圖9(b)～圖9(g)可以看出，當施加控制電壓U=5 V時，隨激勵頻率的增加，合成射流的射流能量逐漸增強，在激勵頻率f/fs=0.71時射流能量達到最強，合成射流的擾動控制作用也逐漸增強。當激勵頻率f/fs=0.71時，從對應的波形圖可以看出此時剪切層的能量較強，但功率譜中顯示此時合成射流控制僅是使得激勵頻率下的尖峰能量增強，而剪切層的特性并沒有發(fā)生變化。說明剪切層對合成射流的擾動不敏感，剪切層的能量增強主要是由合成射流的射流能量引起的。

圖9　合成射流控制時熱線實驗結(jié)果Fig.9　Hot wire experimental results under synthetic jet control　

隨控制頻率的繼續(xù)增加，當頻率f/fs=1.32時，從波形圖可以看出，盡管此時的射流能量較弱，但此時剪切層的能量卻要強于f/fs=0.71的共振頻率。從對應的功率譜可以看出，剪切層的特性發(fā)生了顯著變化，合成射流使得位于1/2倍頻下的剪切層能量增強。說明在該激勵頻率下，合成射流擾動與分離剪切層的相互作用最強，兩種流體的頻率相當，剪切層對合成射流的擾動起到了放大作用。較高或較低的激勵頻率，雖然合成射流的射流能量較強，但兩種擾動的相互干擾作用不敏感，因此不具有顯著的控制效果，在進行流動控制時必定會消耗更多的射流能量。

為了進一步加以驗證，圖10給出了沿臺階中心底層位置，熱線測得的底層速度Vd和均方根RMS)值沿壁面下游的變化特性。從圖10(a)中可以看出，在臺階下游6h～8h范圍內(nèi)的合成射流控制影響恢復區(qū)，與無控制相比，施加合成射流控制后速度得到恢復，在頻率f/fs=1.32時速度變化最顯著。

圖10　底層速度和均方根(RSM)值沿下游變化Fig.10　Downstream changes of bottom velocity and root mean square (RSM)

從圖10(b)中的均方根值沿臺階下游的變化可知，施加合成射流控制均方根最大值位置向臺階位置移動。當頻率f/fs=1.32時，均方根值的峰值位置由無控制時的x/h=8移至x/h=6位置，降低了25%，與自制的壓差探針監(jiān)測結(jié)果相一致。

2.4不同強度合成射流的控制特性

熱線實驗結(jié)果表明，當激勵器頻率等同于剪切層頻率時，合成射流控制效果最好。為了分析不同射流強度下的控制效果，這里選取控制頻率等同于渦脫落頻率(f/fs=1.32)，引入了合成射流動量系數(shù)Cμ的概念，即

式中：Vsj為激勵器整個工作周期內(nèi)的平均速度；S為臺階流道入口截面面積；Ssj為合成射流出口截面面積；u(t)為激勵器出口瞬時空間平均速度；T為振動膜的振動周期。

圖11給出了射流動量系數(shù)Cμ變化時，合成射流對表面壓力系數(shù)分布和再附點長度的控制效果。由圖可知，隨射流動量系數(shù)Cμ的增加，在受雷諾數(shù)影響的3

圖12給出了激勵頻率f/fs=1.32，熱線測得的合成射流控制時剪切層特性隨射流動量系數(shù)Cμ變化的波形圖和功率譜信號。從熱線測試結(jié)果中可以看出，隨射流動量系數(shù)Cμ的增加，合成射流的控制效果增強。功率譜結(jié)果顯示，當最大射流動量系數(shù)大于0.109×10-3時，合成射流才對后臺階分離剪切層具有控制效果，且隨射流動量系數(shù)的增加，合成射流對后臺階分離剪切層的擾動不斷增強。

圖11　表面壓力系數(shù)和再附點長度隨射流動量系數(shù)的變化Fig.11　Variation of surface pressure coefficients and reattachment length with momentum coefficient of synthetic jet

圖12　射流動量系數(shù)變化時熱線測試結(jié)果Fig.12　Hot wire results when synthetic jet momentum coefficient changes

3　結(jié)　論

1) 綜合實驗結(jié)果表明，利用合成射流主動控制技術(shù)可有效控制后臺階分離流動，使得再附點長度降低，回流區(qū)范圍減小。

2) 合成射流后臺階分離流動控制的PIV結(jié)果表明，合成射流控制使得沿臺階下游的湍動能和雷諾應力增強，提高了臺階下游流場的混合效率和動量摻混，使得再附點長度降低。

3) 熱線動態(tài)結(jié)果表明頻率是后臺階分離流動控制的關(guān)鍵參數(shù)。當激勵頻率等同于旋渦脫落頻率時，合成射流的控制效果最好。此時剪切層對合成射流的擾動具有放大作用，僅需消耗較小的能量即可實現(xiàn)流動控制的目的。對于較高或較低的射流頻率，合成射流的控制效果均較弱，且消耗的射流能量也較多。

4) 隨合成射流動量系數(shù)的增加，合成射流對后臺階分離剪切層的擾動不斷增強，臺階下游分離區(qū)范圍逐漸減小，再附點長度降低。當激勵頻率f/fs=1.32時，合成射流的動量系數(shù)僅需消耗0.301×10-3，即可使再附點長度減小25%。

[1]EATON J K, JOHNSTOR J P. A review of research on subsonic turbulent flow reattachment[J]. AIAA Journal, 1981, 19(9): 1093-1099.

[2]FREDERODE W R, KRADSHAW J T. Control of coherent structure of in reattaching laminar and turbulent shear layer[J]. AIAA Journal, 1986, 24(12): 1956-1963.

[3]ARMALY B F, DURST F, PEREIRA J C F, et al. Expreimental and theoretical investigation of backward facing step flow[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1983, 127(1): 473-496.

[4]蘭世隆, 王晉軍. 后向臺階層流邊界層特性研究[J]. 北京航空航天大學學報, 1996, 22(5): 581-584.

LAN S L, WANG J J. The characteristics of separated shear layer a backward facing step lamnar flow[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 1996, 22(5): 581-584 (in Chinese).

[5]URUBA V, JONAS P, MAZUR O. Control of a channel flow behind a backward facing step by suction/blowing[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007, 28(4): 665-672.

[6]CHEN Y T, NIE J H, ARMALY B F, et al. Turbulent separated convection flow adjacent to backward facing step effects of step height[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(9): 3670-3680.

[7]KRAL L D. Active flow control technology: ASME No. FEDSM 2001-18196[R]. New York: ASME, 2001.

[8]PARK H, JEON W P, CHOI H, et al. Mixing enhancement behind a backward facing step using tabs[J]. Physics of Fluids, 2007, 19(10): 103-105.

[9]SANO M, FUKAZAWA K, SAKURABA K. Control of turbulent channel flow over a backward facing step by suction or injection[J]. Heat Transfer—Asian Research, 2004, 33(8): 490-504.

[10]陳國定, 明曉. 后臺階流動控制[C]//第十四屆研究生學術(shù)會議論文集. 南京: 南京航空航天大學, 2012.

CHEN G D, MING X. Research on the backward facing step flow control[C]//The 14th Graduate Academic Conference Proceedings. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012 (in Chinese).

[11]CHUN K B, SUNG H J. Control of turbulent separated flow over a backward facing step by local forcing[J]. Experiments in Fluids, 1996, 21(6): 417-426.

[12]DEJOAN A, LESCHZINER M A. Large eddy simulation of periodically perturbed separated flow over a backward facing step[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2004, 25(4): 581-592.

[13]SMITH B L, GLEZER A. The formation and evolution of synthetic jets[J]. Physics of Fluids, 1998, 10(9): 2281-2297.

[14]CHEN F, BEELER Y, BRYANT R. Development of synthetic jet actuators for active flow control at NASA Langley: AIAA-2000-2405[R]. Reston: AIAA, 2000.

[15]肖中云, 顧蘊松, 江雄. 一種基于引射效應的流體推力矢量新技術(shù)[J]. 航空學報, 2012, 33(11): 1967-1974.

XIAO Z Y, GU Y S, JIANG X. A new fluidic thrust vectoring technique based on ejecting mixing effects[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33 (11): 1967-1974 (in Chinese).

[16]李斌斌, 姜裕標, 顧蘊松， 等. 合成射流大攻角非對稱渦控制的試驗研究[J]. 航空學報, 2015, 36(3): 764-771.

LI B B, JIANG Y B, GU Y S, et al. Experimental study of asymmetric vortex control at high angle of attack with synthetic jet[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(3): 764-771 (in Chinese).

[17]CIURYLA M, LIU Y, FARNSWORTH J, et al. Flow control and flight control on a Cessna 182 model[J]. Journal of Aircraft, 2007, 44(2): 642-653.

[18]DANDOIS J, GARNIER E. Numerical simulation of active separation control by a synthetic jet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2007, 574(5): 25-58.

[19]陳占軍, 王晉軍. 合成射流改善S形進氣道流場特性的研究[J]. 中國科學: 技術(shù)科學, 2012, 55(9): 2578-2584.

CHEN Z J, WANG J J. Numerical investigation on sythetic jet flow control inside an S inlet duct [J]. Science China Technological Sciences, 2012, 55(9): 2578-2584 (in Chinese).

[20]YOU D, MOIN P. Active control of flow separation over an airfoil using synthetic jets[J]. Journal of Fluids and Structures, 2008, 24(8): 1349-1357.

[21]王林, 羅振兵, 夏智勛， 等. 合成雙射流控制翼型分離流動的數(shù)值研究[J]. 空氣動力學學報, 2012, 30(3): 353-357.

WANG L, LUO Z B, XIA Z X, et al. Numerical simulation of separated flow control on an airfoil using dual sythetic jets[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2012, 30(3): 353-357 (in Chinese).

[22]韓忠華, 喬志德, 宋文萍. 零質(zhì)量射流推遲翼型失速的數(shù)值模擬[J]. 航空學報, 2007, 28 (5): 1040-1046.

HAN Z H, QIAO Z D, SONG W P. Numerical simulation of active flow control to airfoil stall using local sythetic jet[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2007, 28(5): 1040-1046 (in Chinese).

[23]KIM S H, KIM C. Separation control on NACA23012 using synthetic jet[J]. Aerospace Science and Technoogy, 2009, 13(4): 172-182.

[24]DONOVAN F, LINDA D K, CARY W. Active flow control applied to an airfoil: AIAA-1998-0210[R]. Reston: AIAA, 1998.

[25]BRADSHAW P, WONG F Y F. The reattachment and relaxation of turbulent shear layer[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1972, 52(1): 113-135.

李斌斌男， 博士， 講師。主要研究方向： 流動測試與流體流動控制。

Tel: 0816-2461214

E-mail: libinbin-8@163.com

顧蘊松男， 教授。主要研究方向：實驗空氣動力學， 流體流動測試與流動控制。

Tel: 025-84896361

E-mail: yunsongggu@nuaa.edu.cn

Active control of 2D backward facing step separated flow based on synthetic jet

LI Binbin1,*, YAO Yong1, GU Yunsong2， CHENG Keming2

1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010， China 2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

As a new type of flow control actuator, synthetic jet has a potentially broad application in the fields of flow separation control, pressure pulsation reduction and noise suppression. Experimental investigation on 2D backward facing step turbulent separated and reattachment flow control with synthetic jet arrays is conducted, in which the surface pressure distribution of backward facing step, the field structure and the prominent features of shear layer are tested with many experimental devices such as pressure transducers, particle image velocimetry (PIV) and hot wire anemometer. The results show that the perturbation of synthetic jet which is formed at the upper edge of the step can effectively reduce the recirculation zone and reattachment length; when the synthetic jet momentum coefficient is 0.301×10-3, the non-dimensional length of reattachment decreases by 25% at most. Synthetic jet control increases the turbulent kinetic energy and Reynolds stress along the downstream steps and enhances the mixing efficiency of the flow field along the downstream steps. The hot wire test results show that frequency is the key parameter of backward facing step flow separation control; when the disturbance frequency is 260 Hz, the ratio of disturbance frequency to shear layer vortex shedding frequency is 1.32 and the forcing frequency is equivalent to the vortex shedding frequency, the effect of synthetic jet control is the best and the flow control can be achieved only with low consumption of energy.

synthetic jet； backward facing step； flow control； flow separation； reattachment length

2015-11-02； Revised： 2015-12-14； Accepted： 2016-01-08； Published online： 2016-01-1413:25

State Key Laboratory Foundation of Aerodynamics (JBKY14010201)

. Tel.： 0816-2461214E-mail: libinbin-8@163.com

2015-11-02； 退修日期： 2015-12-14； 錄用日期： 2016-01-08；

時間： 2016-01-1413:25

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160114.1325.004.html

空氣動力學國家重點實驗室基金 (JBKY14010201)

.Tel.： 0816-2461214E-mail: libinbin-8@163.com

10. 7527/S1000-6893.2016.0014

V211.7

A

1000-6893(2016)06-1753-10

引用格式： 李斌斌， 姚勇， 顧蘊松， 等. 基于合成射流的二維后臺階分離流主動控制[J]． 航空學報, 2016, 37(6): 1753-1762. LI B B, YAO Y, GU Y S, et al. Active control of 2D backward facing step separated flow based on synthetic jet[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1753-1762.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160114.1325.004.html