斜出口合成射流激勵器S進(jìn)氣道分離流動控制

李斌斌，程克明，顧蘊(yùn)松

（南京航空航天大學(xué) 航空航天學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)為了獲取良好的高機(jī)動性和隱身性，對推進(jìn)系統(tǒng)性能提出了更高的要求［1－2］。S進(jìn)氣道由于其良好的迎角和側(cè)滑角性能，能夠降低推進(jìn)系統(tǒng)的迎風(fēng)阻力，減小雷達(dá)散射截面和增強(qiáng)隱身等優(yōu)點，在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的研制設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。但由于S彎進(jìn)氣道本身形狀的限制和進(jìn)氣特點，其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜［3－4］，涉及到邊界層分離流動、二次旋流，且軸徑向存在較大壓力梯度，致使S形進(jìn)氣道出口總壓損失和流場畸變增大，效率降低。

自上個世紀(jì)中葉，各國在S彎進(jìn)氣道內(nèi)流控制方面進(jìn)行了大量研究，積累了許多經(jīng)驗并發(fā)展了許多有效的流場控制方法［5－12］，這些控制方法可分為兩大類：無源（被動）控制和有源（主動）控制。被動控制即在進(jìn)氣道入口布置導(dǎo)流板或?qū)Я魅~片、使用翼型旋渦發(fā)生器和旋流縮渦器等，使得內(nèi)流充分混合，增加邊界層底層能量，克服逆壓壓力區(qū)域，從而延遲邊界層分離。但是當(dāng)流場狀態(tài)發(fā)生變化時，流動控制參數(shù)基本保持定值，導(dǎo)致多工況下的控制效果有限。主動控制包括附面層抽吸或吹除、微射流、定常吹／吸氣和射流式旋渦發(fā)生器等，特點是應(yīng)用廣泛、效果好、能適應(yīng)不同工況。

合成射流作為一項新穎的主動流動控制技術(shù)，由于具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需氣源管道、成本低、工作頻帶寬等獨特的優(yōu)勢，國內(nèi)外在激勵器設(shè)計、流動特性及其在流動分離［13］、氣動力控制［14］、增強(qiáng)摻混［15］、射流矢量偏轉(zhuǎn)控制［16］等領(lǐng)域進(jìn)行了大量數(shù)值模擬和實驗研究，但在S進(jìn)氣道內(nèi)流流動控制方面研究較少。筆者成功將合成射流應(yīng)用于S進(jìn)氣道內(nèi)流流動控制，特別加工設(shè)計了可用于高速流動控制的單膜雙腔斜出口合成射流激勵器，采用PSI公司的DTC Initium測壓系統(tǒng)對其S進(jìn)氣道分離流動控制特性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，采用單膜雙腔斜出口合成射流激勵器主動流動控制方式可有效抑制S進(jìn)氣道內(nèi)的分離流動，提高出口截面總壓恢復(fù)和降低流場畸變。

1 設(shè)備與方法

1.1 單膜雙腔斜出口激勵器設(shè)計

由于S進(jìn)氣道受控內(nèi)外流場間存在較大壓差，采用現(xiàn)有常規(guī)合成射流激勵器直接進(jìn)行控制時，揚(yáng)聲器振動膜將承受較大壓載，過大的壓載將限制振動膜無法起振，甚至?xí)捍┱駝幽?。為了解決受控內(nèi)外流場壓差引起的振動膜工作失效問題，設(shè)計加工了單膜雙腔合成射流激勵器。

圖1給出了單膜雙腔激勵器設(shè)計方案，主體結(jié)構(gòu)由左右射流出口和兩個腔體共用一個振動膜組成。合成射流激勵器固定于S進(jìn)氣道上壁板，并采用玻璃膠進(jìn)行了密封處理。在S進(jìn)氣道上壁板左右并排各開有3個射流出口，尺寸均為31mm×4mm，相鄰出口間距為6mm，與當(dāng)?shù)乇诿鎶A角為30°。在激勵器側(cè)板開有8個Φ2mm的圓孔，作為腔體內(nèi)部S進(jìn)氣道壁面測壓孔的引出端口，用于實現(xiàn)對激勵器腔體內(nèi)部S進(jìn)氣道壁面靜壓的測量。

圖1 單膜雙腔式合成射流激勵器Fig.1 Single membrane and dual chamber type of synthetic jet actuator

1.2 S進(jìn)氣道實驗測試系統(tǒng)

合成射流S進(jìn)氣道分離流動控制實驗借助南京航空航天大學(xué)NHW高超聲速風(fēng)洞的真空氣源來完成，進(jìn)氣道模型固定安裝于風(fēng)洞旁路段入口管道，實驗中通過調(diào)節(jié)真空罐旁路中的控制閥門，可以實現(xiàn)對S進(jìn)氣道入口風(fēng)速的控制，合成射流S進(jìn)氣道實驗測試裝置示意圖見圖2。

圖2 S進(jìn)氣道實驗裝置Fig.2 S－shaped inlet experimental setup

設(shè)計的S進(jìn)氣道形式為二元矩形，合成射流激勵器控制端壁板采用10mm鋁板進(jìn)行加工，其余采用10mm有機(jī)玻璃板加工，相鄰隔段間采用橡皮墊進(jìn)行密封。S進(jìn)氣道入口截面尺寸為100mm×80mm，出口尺寸為100mm×150mm。

為了實現(xiàn)對S彎段上下壁面靜壓和出口截面總壓的測試。在S進(jìn)氣道上下中心對稱面各開有28個靜壓孔，相鄰測壓孔間距為20mm，用于測量S進(jìn)氣道沿程壁面靜壓分布；在S進(jìn)氣道出口截面位置并排安裝有5根總壓耙，用于測量出口截面總壓。每根測壓耙由14根直徑Φ1.2mm的總壓探針組成，相鄰測壓孔間距為10mm，共計70個測點，相鄰總壓耙間距為20mm。為了對S進(jìn)氣道入口和出口端速度進(jìn)行監(jiān)測，在進(jìn)氣道入口和出口穩(wěn)定段的周向位置各開有6通1的靜壓孔。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 斜出口激勵器設(shè)計與流場特性研究

首先采用PIV流場測試技術(shù)對斜出口合成射流激勵器靜態(tài)流場特性進(jìn)行了研究，圖3給出了斜出口合成射流時均流場測試結(jié)果。

圖3 斜出口合成射流激勵器時均流場PIV結(jié)果Fig.3 Averaged PIV results showing velocity fields and vorticity contours of BSJA

由圖可知，斜出口合成射流激勵器可以將周圍氣體進(jìn)行有控制的能量和質(zhì)量輸送，從而實現(xiàn)對外部流場的控制。在與主流相互作用時，左側(cè)出口由于射流的卷吸引射作用，可將出口左側(cè)主流中的高動量流體引入到近壁區(qū)，右側(cè)出口由于射流沿壁面切向的動量注入，可顯著增加邊界層底層能量，起到控制流動分離的目的。

2.2 合成射流S進(jìn)氣道主動流動控制

圖4給出了主流速度V＝80m／s，合成射流變電壓控制時S進(jìn)氣道壁面靜壓變化特性。

圖4 激勵器工作電壓變化時壁面靜壓系數(shù)分布Fig.4 Actuator voltage changes the distribution of wall static pressure coefficient

由圖可知，隨工作電壓的逐漸增加，上壁面（控制段）壁面靜壓逐漸得到恢復(fù)。原因在于：工作電壓增加，合成射流出口速度增加，射流沿壁面切向的動量注入效應(yīng)增強(qiáng)，使當(dāng)?shù)剡吔鐚拥讓铀俣刃透枬M，克服逆壓梯度的能力增強(qiáng)。盡管合成射流控制位置位于S進(jìn)氣道上壁面，但對下壁面靜壓恢復(fù)也具有可控作用。

圖5給出了合成射流控制時S進(jìn)氣道出口截面總壓分布特性。由圖可知，由于S進(jìn)氣道內(nèi)分離流動得到控制，進(jìn)氣道出口截面總壓得到恢復(fù)，體現(xiàn)為出口截面核心區(qū)總壓系數(shù)的逐漸增加和出口截面分離區(qū)內(nèi)總壓的改善恢復(fù)。表1給出了合成射流激勵器工作電壓變化時，進(jìn)氣道出口平均總壓恢復(fù)系數(shù)σ和畸變指數(shù)DC90變化特性。

由表1可知，出口截面平均總壓恢復(fù)系數(shù)隨工作電壓的增加而增加，說明合成射流對S進(jìn)氣道分離流動效果增強(qiáng)。當(dāng)工作電壓U＝24V時，出口截面平均總壓恢復(fù)系數(shù)可增加0.37%，此時所消耗合成射流能量僅為來流的0.24%，且采用合成射流控制也可有效降低進(jìn)氣道流場畸變指標(biāo)。

表1 σ和DC90隨激勵器工作電壓變化特性Table1 Variation of pressure recoveryσand pressure distortion DC90with the actuator voltage

圖6給出了來流速度V＝50m／s，工作電壓U＝24V，S彎段分離控制區(qū)內(nèi)上下壁面＃13孔靜壓系數(shù)隨激勵器工作頻率的變化特性。

由圖可知，在激勵器共振頻率附近，合成射流激勵器S進(jìn)氣道分離流動控制效果最佳，體現(xiàn)為上下壁面靜壓系數(shù)的幅值增加量最大。原因在于：在激勵器共振頻率下，合成射流出口速度較大，對當(dāng)?shù)剡吔鐚拥讓拥膭恿孔⑷胄?yīng)最強(qiáng)，控制效果最佳。

圖6 激勵器工作頻率變化對壁面靜壓系數(shù)的影響Fig.6 Effects of actuator frequency on the wall static pressure coefficient

3 結(jié) 論

設(shè)計加工了可用于高速流動控制的單膜雙腔式斜出口合成射流激勵器，成功將合成射流技術(shù)應(yīng)用于S進(jìn)氣道分離流主動控制，結(jié)合測壓技術(shù)對斜出口合成射流S進(jìn)氣道分離流動控制特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：

（1）采用合成射流可有效抑制S進(jìn)氣道分離流動，提高出口總壓恢復(fù)和降低流場畸變；

（2）合成射流與主流間的動量比是進(jìn)行S進(jìn)氣道分離流控制的重要參數(shù)，當(dāng)工作電壓U＝24V時，出口截面平均總壓恢復(fù)系數(shù)可增加0.37%，此時所消耗合成射流能量僅為來流的0.24%；

（3）斜出口合成射流激勵器S進(jìn)氣道分離流動的控制機(jī)理在于：斜出口合成射流沿壁面切向的動量注入，增加了當(dāng)?shù)剡吔鐚拥讓幽芰?，有利于克服逆壓梯度，控制邊界層分離。

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