斜出口合成射流組流場特性PIV 實(shí)驗(yàn)研究

李斌斌，顧蘊(yùn)松，程克明

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

0 引 言

合成射流又稱“零質(zhì)量”射流，其主體部件由激勵器腔體、振動膜和射流出口組成［1］。它的工作原理是在激勵信號的驅(qū)動下，振動膜產(chǎn)生周期性振動，將輸入的電能轉(zhuǎn)化為振動膜的動能，從而在激勵器出口處產(chǎn)生非定常射流。與傳統(tǒng)的被動和主動流動控制方式相比［2-4］，合成射流具有無需氣源供應(yīng)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡單、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)行分離流動控制，可顯著增強(qiáng)飛行器的機(jī)動性，擴(kuò)大飛行航程。經(jīng)過合理布置的合成射流激勵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性能，增加飛行器設(shè)計的靈活性。

合成射流激勵器作為形成合成射流的重要部件，其設(shè)計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，如何對其高效設(shè)計，以小的能耗獲取高的控制效益，是合成射流應(yīng)用于主動控制的關(guān)鍵［5］。目前，國內(nèi)外在合成射流形成機(jī)理［6-8］、氣動力控制［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。綜述目前對合成射流開展的研究發(fā)現(xiàn)，大多是針對單出口形式合成射流進(jìn)行的，對多出口形式下合成射流的研究工作較少，尤其是對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器的能量利用效率，應(yīng)用PIV 相位鎖定技術(shù)對斜出口合成射流組流場特性進(jìn)行了研究，并對出口間距比參數(shù)變化對合成射流組沿壁面動量輸運(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)計思路是基于單出口合成射流激勵器，并排開有多個射流出口，同時改變相鄰射流出口間的間距比，來研究上述參數(shù)對斜出口合成射流組流場特性的影響。

圖1 為作者設(shè)計的斜出口合成射流組激勵器模型，激勵器主腔體尺寸為：150mm ×150mm ×80mm，射流出口長度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。合成射流激勵器驅(qū)動信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)功率放大器放大來驅(qū)動揚(yáng)聲器振動膜進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

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 流場測試系統(tǒng)

斜出口合成射流組流場測試采用TSI 公司二維PIV 系統(tǒng)，該測試系統(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隨時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)，可滿足測量的需要。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 斜出口合成射流激勵器流場特性

圖3 給出了激勵器噴出段與吸入段，斜出口合成射流激勵器PIV 流場測試結(jié)果。

圖3 斜出口合成射流激勵器流場特性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)。在整個工作周期內(nèi)，斜出口合成射流激勵器均能夠發(fā)揮其控制作用，非常適合于邊界層流動控制的研究。

但在實(shí)際流動控制應(yīng)用中，考慮到往往所需要控制的流場區(qū)域面積較大，單出口合成射流激勵器射流流場發(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，并對其流場特性及控制特性進(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器的設(shè)計基礎(chǔ)上，并排開有多個射流出口，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，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)沿壁面切向的動量輸運(yùn)特性。

不同之處在于，三縫與雙縫、單縫相比，在每個射流出口處都會形成強(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，斜出口合成射流組更有利于將主流中高動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)到延遲分離流動控制的目的。

圖4 斜出口合成射流組瞬態(tài)流場特性( 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)的動量輸運(yùn)特性，且流體沿壁面的流動更貼近于近壁面區(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 間距比變化對合成射流組流場特性的影響

對雙縫和三縫斜出口合成射流組流場特性進(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)行邊界層流動控制。那么，當(dāng)相鄰射流出口間距比變化時，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，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，合成射流具有沿壁面切向更強(qiáng)的動量輸運(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。說明射流出口間距比對斜出口合成射流組沿水平方向的動量輸運(yùn)特性具有重要影響。為了對這一特殊現(xiàn)象進(jìn)行解釋，圖7 給出了間距比變化時斜出口合成射流組流場結(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量輸運(yùn)特征，主要來源于出口左側(cè)旋渦的誘導(dǎo)作用及射流沿壁面的附壁射流效應(yīng)。對于斜出口合成射流組，當(dāng)射流間距比較大時，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，相鄰射流出口間無法形成接力誘導(dǎo)作用。當(dāng)射流間距比較小時，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控制效率探討

為了對斜出口合成射流組流動控制效率進(jìn)行探討，對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 流場數(shù)據(jù)的積分處理。圖8 給出了激勵器工作電壓U =3. 7V，頻率fs=80Hz，相鄰射流出口間距比S/H =3.0 時，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，說明在三縫斜出口情況下，合成射流能夠更加有效地對射流出口流場進(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)對斜出口合成射流組非定常流場特性進(jìn)行了研究，并針對出口間距比參數(shù)變化對合成射流組沿壁面切向動量輸運(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)的動量輸運(yùn)特性，主要來源于旋渦間的誘導(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。

(3) 射流出口間距比是影響合成射流組動量輸運(yùn)特性的重要參數(shù)。當(dāng)射流間距比較小時，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，受相鄰射流出口旋渦與附壁射流誘導(dǎo)作用范圍的限制，相鄰射流出口間無法形成接力誘導(dǎo)作用，合成射流沿壁面的動量輸運(yùn)特性也會減弱。

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