合成射流后臺階分離流動控制的實驗研究

李斌斌，姚 勇，顧蘊松，程克明

合成射流后臺階分離流動控制的實驗研究

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，四川綿陽 621010；2.南京航空航天大學航空宇航學院，南京 210016）

具有邊界層分離和再附的后臺階流動是工程中常見的一種復雜現(xiàn)象，研究后臺階繞流具有重要的理論意義和應用價值。后臺階流動包含了多種復雜的流動現(xiàn)象，如流動的轉(zhuǎn)捩、分離、再附和非定常等流體力學基本問題。應用表面測壓和粒子圖像測速（PIV）對合成射流后臺階湍流分離流動控制進行了研究，通過分析后臺階壁面壓力系數(shù)分布、瞬態(tài)旋渦流場結構以及時均流動結構，揭示了合成射流對后臺階再附點長度和回流區(qū)的分離流動控制機理。結果表明：在臺階前緣施加合成射流可有效減小回流區(qū)范圍，回流區(qū)渦結構被施加的合成射流擾動“鎖定”。在實驗狀態(tài)下，合成射流的動量系數(shù)越大，控制效果越好。從時均效果看，當合成射流的動量系數(shù)為0.771%時，可使再附點長度減小50%。

合成射流；后臺階；流動控制；流動分離；回流區(qū)；再附點長度

0 引 言

具有邊界層分離和再附的后臺階（Backward Fa－cing Step）流動是流體力學中一類經(jīng)典的研究課題［1－2］。由于其幾何結構簡單、分離點固定、流場性質(zhì)穩(wěn)定、結構堅固，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領域［3－4］。

流體繞后臺階的流動包含了多種復雜的物理現(xiàn)象，如旋渦的生成和脫落、旋渦之間以及旋渦與固壁的相互作用，以及流動的轉(zhuǎn)捩、分離、再附和非定常等流體力學基本問題［5－6］，具有流體力學研究的理論意義和應用價值。同時分離再附流動將顯著改變與之相互作用的結構物體的受力特性，嚴重影響其工作性能［7－8］。因此，研究這一流動現(xiàn)象的流動機理并加以有效的流動控制，對工程應用特別是航空航天等工程領域具有非常重要的現(xiàn)實意義。

對后臺階的流動分離控制可分為被動控制和主動控制。被動控制是指無外部能量的注入，如在流場中加入各種形狀的擾流片或渦發(fā)生器等［9－10］。利用渦發(fā)生器在流場下游形成的流向渦，提高流場的混合效率，從而降低分離區(qū)范圍。該控制方法簡單易行，但存在無法根據(jù)實際工況進行調(diào)節(jié)的缺陷。Park［11］等利用三角形擾流片形成的流向渦，使分離區(qū)減小20%以上。但其僅增加了流場部分區(qū)域的動量交換，流場中大多數(shù)區(qū)域的動量交換反而降低。

主動流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。主動流動控制的優(yōu)勢在于它能在需要的時間和部位出現(xiàn)，通過局部能量輸入，獲得局部或全局的有效流動改變［12－13］。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［14］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)對再附長度和流場結構的影響。明曉等［15］對不同吹吸氣位置后臺階分離流控制進行了研究，結果表明，該方法能夠有效減小再附長度，控制再附區(qū)附近的摩擦應力分布。鄭朝榮等［16］對均勻吸氣下三維后臺階分離流控制進行了數(shù)值模擬，結果表明，該方法能夠吸除回流區(qū)中低速流體，控制流動分離，減小再附長度，隨吸氣量的增加控制效果越顯著。Chun等［17］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，可使再附長度減小10%。Dejoan等［18］利用周期性振蕩射流對后臺階分離流動進行了控制研究，分析了射流幅值和頻率對后臺階流場結構的影響。

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［19－20］。與常規(guī)的定常射流相比，具有無需氣源供應系統(tǒng)，結構簡單、響應快和零質(zhì)量流率等特點［21］，在分離流控制、推力矢量控制、前體渦控制、有效氣動面控制以及無人機流動控制等方面具有廣泛的應用［22－26］。本文利用在臺階前緣形成的合成射流對后臺階分離流動控制進行研究，結合表面測壓和PIV測試技術重點研究合成射流對后臺階再附長度和回流區(qū)流動結構的變化規(guī)律。

1 模型與試驗裝置

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試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，該射流風洞試驗段為開口形式，出口截面為二元矩形，展向與橫向?qū)挾鹊某叽鐬?50mm×50mm。實驗中主射流速度U∞＝15m／s，以臺階高度為參考的試驗雷諾數(shù)Reh＝20 548，測得射流出口中心湍流度約為3‰，距臺階前緣1mm位置的附面層厚度為4mm，射流風洞和后臺階模型試驗裝置如圖1所示。

圖1 射流風洞和后臺階模型Fig.1 Wind tunnel and model of backward facing step

試驗所用后臺階模型為背向二維階梯結構，為方便PIV流場測試，模型采用透明有機玻璃材料加工。模型入口截面尺寸為250mm×50mm，高度H1為50mm，與二元射流風洞試驗段出口尺寸一致。后臺階突張室高度H2為70mm，出口截面尺寸為250mm×70mm。臺階位置的高度h為20mm，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。主體結構主要由激勵器振動腔、射流出口和揚聲器振動膜組成。激勵器腔體尺寸為200mm×200mm×80mm，射流出口為矩形，出口長度L和寬度H為100mm×3mm，出口位置位于臺階前緣0.5h，低音揚聲器最大輸出功率為40W。

圖2 合成射流激勵器Fig.2 Synthetic jet actuator

合成射流激勵器工作時，由DG1022信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，經(jīng)B＆K Type2706功率放大器對輸出的正弦波信號進行放大后，驅(qū)動揚聲器振動膜進行往復振動。合成射流出口速度與主流方向垂直，控制時通過調(diào)節(jié)功率放大器的增益控制旋鈕可以實現(xiàn)對合成射流工作電壓幅值的控制。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率旋鈕可以改變合成射流激勵器的工作頻率。

1.3試驗測試技術和方法

（1）表面測壓技術

臺階下壁面表面壓力測量采用的是美國NI公司基于Labview軟件開發(fā)的動態(tài)測壓系統(tǒng)，單通道分辨率為18位。在沿臺階中心位置下游0.5h，每隔0.5h臺階高度依次布置有40個直徑l.2mm的靜壓孔，測壓傳感器量程為0.15PSI，測試精度為0.05%FS。

（2）PIV流場測試技術

實驗所用PIV測試系統(tǒng)為美國TSI公司所生產(chǎn)，主要由：雙脈沖Nd：YAG激光器、互相關CCD數(shù)字相機、同步器、Insight分析軟件和示蹤粒子組成。雙脈沖激光頻率為15Hz，測試精度為2%。圖3給出了后臺階PIV流場測試裝置布局圖。

圖3 PIV試驗裝置Fig.3 PIV test device

PIV測試時激光片光正對射流風洞出口中心截面，且與合成射流激勵器射流出口中心對稱。試驗選用了香燃燒產(chǎn)生的煙粒子作為示蹤粒子，預先在風洞動力段外的空腔容器中充滿煙粒子，待風速穩(wěn)定后打開容器蓋，煙粒子在流經(jīng)動力段到試驗段后會與主流充分摻混，經(jīng)測試煙粒子濃度滿足測量要求。

2 實驗結果與分析

2.1后臺階流動特性研究

依照Bradshaw［27］等人的實驗結果，當臺階的寬高比AR大于10時，則可將其流場視為二維流動特性流場，本試驗中臺階模型的寬高比AR為12.5（大于10），為了對其二維流場進行進一步驗證，利用七孔探針對主流沿臺階不同占位的x－y截面速度場分布進行了測試，試驗測試結果如圖4所示。

圖4 主流速度沿x－y截面的分布Fig.4 Distribution of the mainstream velocity on the x－y cross section

從圖4中可以看出，七孔探針時均速度場測試結果表明，對于本文設計的后臺階模型，主流沿x－y剖面的速度分布具有一致性，說明臺階內(nèi)部流場是滿足二維流動特性的，對利用合成射流進行后臺階的分離流動控制研究、分析流動控制機理是有利的。

圖5給出了沿臺階下壁面表面壓力系數(shù)Cps隨試驗雷諾數(shù)Reh的變化特性。

從圖中可看出，隨雷諾數(shù)Reh的變化，下壁面壓力系數(shù)Cps呈現(xiàn)如下3個典型的分布特征：（1）在0＜x／h＜3.0區(qū)域，表面壓力系數(shù)Cps呈現(xiàn)降低的趨勢，在x／h＝3.0位置，壓力系數(shù)達到最低Cps≈－0.55。（2）繼續(xù)向下游發(fā)展，在3.0＜x／h＜10.0區(qū)域，下壁面表面壓力系數(shù)Cps逐漸恢復，圖中曲線顯示該區(qū)域內(nèi)壓力系數(shù)受雷諾數(shù)Reh的影響變化較顯著。（3）在x／h＞10.0區(qū)域，表面壓力系數(shù)隨雷諾數(shù)基本無變化，Cps恒為定值0，說明在該區(qū)域流動沿臺階下壁面呈現(xiàn)為再附流動。

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

結合圖6的PIV時均速度和渦量流線圖可以看出：（1）在Ⅰ區(qū)0＜x／h＜3.0范圍內(nèi)，主流流動與臺階平面相平行，呈現(xiàn)類平面自由剪切層的渦結構。由于受臺階下游狹長回流區(qū)流動的影響，下壁面表面壓力系數(shù)Cps略有降低，在x／h＝3.0位置達到最低，與狹長回流區(qū)的渦核位置相對應。（2）在Ⅱ區(qū)3.0＜x／h＜8.0范圍內(nèi)，主流流線向下壁面發(fā)生急劇彎曲，該區(qū)域內(nèi)表面壓力系數(shù)受雷諾數(shù)的影響較顯著。（3）在Ⅲ區(qū)x／h＞8.0范圍內(nèi)，流動發(fā)生再附，主流流動貼附于臺階下壁面，該區(qū)域內(nèi)表面壓力系數(shù)基本無變化。

圖6 PIV時均流場測試結果Fig.6 The test results of PIV time－averaged flow field

2.2合成射流后臺階分離流動控制研究

回流區(qū)是后臺階流動的一個重要特征，再附點長度是衡量這一特征的重要參數(shù)。本文以合成射流激勵器控制電壓U＝5V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給出了利用自制的壓力監(jiān)測探針測得的無量綱再附長度XL／h隨激勵頻率的變化曲線。從圖中可以看出，無量綱再附長度XL／h隨激勵頻率的變化呈現(xiàn)先逐漸減小后增加的變化趨勢，在頻率f＝ 70Hz附近達到最小，與圖中合成射流激勵器頻率曲線的峰值點相對應。即在激勵器的共振頻率下，合成射流注入的射流動量越強，控制效果越顯著。再附點長度的變化強烈依賴于合成射流的射流能量。

圖7 再附點長度隨激勵頻率的變化Fig.7 Changes of reattachment length with forcing frequency

自制的壓力監(jiān)測探針是由一對直徑Φ1.2mm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Φ0.5mm的前后總壓孔，構成對臺階下壁面底層進行監(jiān)測的壓差傳感器。根據(jù)監(jiān)測探針沿臺階底層位置向下游移測的壓差曲線零點位置，可以確定再附點長度的位置。

試驗中由于合成射流激勵器的出口位置和尺寸固定，合成射流的控制效果主要取決于激勵頻率和射流動量。圖8和9分別給出了利用表面測壓技術測得的施加合成射流前后，臺階下壁面表面壓力系數(shù)隨激勵頻率和射流動量的變化特性。

圖8 表面壓力系數(shù)隨激勵頻率的變化Fig.8 Changes of surface pressure coefficient with forcing frequency

從圖8中可以看出，施加合成射流控制后，位于回流區(qū)的壓力系數(shù)均有所恢復。當激勵頻率f＜70Hz時，隨頻率的增加壓力曲線向臺階位置發(fā)生平移，壓力系數(shù)最低點由x／h＝3.0移至x／h＝1.5位置，體現(xiàn)了臺階下游回流區(qū)渦核位置的變化，該范圍內(nèi)的激勵頻率對后臺階回流區(qū)流動的影響較顯著。當激勵頻率f＞70Hz時，隨頻率的增加壓力系數(shù)最低點位置維持在x／h＝1.5位置，此時回流區(qū)旋渦渦核位置被施加的合成射流擾動“鎖定”，回流區(qū)范圍減小50%。

圖9給出了控制頻率為共振頻率f＝70Hz時，改變合成射流激勵器的控制電壓來研究合成射流動量系數(shù)變化對控制效果的影響。從圖中可以看出，當合成射流的動量系數(shù)大于0.01%時，合成射流才對后臺階流場有控制效果。隨合成射流動量系數(shù)的增加，合成射流的控制效果逐漸增強。當合成射流的動量系數(shù)為0.771%時，后臺階回流區(qū)的旋渦渦核位置由x／h＝3.0移至x／h＝1.5位置，回流區(qū)范圍減小50%。

圖9 表面壓力系數(shù)隨射流動量的變化Fig.9 Changes of surface pressure coefficient with jet momentum

圖10 給出了控制電壓U＝5V，激勵頻率f＝70Hz時，利用PIV測得的合成射流控制沿臺階下游流場的速度圖、渦量圖、湍動能和雷諾應力的分布云圖。從圖10（a）速度流線圖中可以看出，合成射流控制后沿臺階下游的分離區(qū)范圍減小，位于臺階下游的狹長回流區(qū)變成集中的大尺度渦結構，回流區(qū)渦核位置由x／h＝3.0移至x／h＝1.5，再附點位置由x／h＝8.0移至x／h＝4.0，再附點長度減小50%。同時在位于x／h＞4.0的主流區(qū)內(nèi)，可以看到主流存在速度損失，這部分能量補充了回流區(qū)的低能量區(qū)，從而使得再附點長度降低。圖10（b）渦量圖顯示，沿臺階位置自由剪切層中的集中小渦變成控制后的大尺度渦結構，最大渦強仍集中在剪切層中，越靠近臺階前緣位置旋渦強度越強。從圖10（c）湍動能分布可看出，合成射流控制后湍動能分布變得集中，與圖10（a）速度圖中的回流區(qū)結構相一致，湍動能集中位于回流區(qū)渦核中心位置。圖10（d）雷諾應力分布表明，合成射流控制使得沿臺階下游流場的雷諾應力顯著增強，提高了沿臺階下游流場區(qū)域的動量摻混，使得分離區(qū)范圍減小，再附點長度降低。

2.3合成射流后臺階控制的瞬態(tài)特性

圖11給出了合成射流控制時，沿臺階下游區(qū)域的PIV瞬態(tài)流場速度流線圖分布結果。由圖可知，施加合成射流控制分離脫落的渦頻率等同于激勵器頻率，合成射流的控制頻率“鎖定”剪切層的旋渦脫落。在激勵器的一個工作周期內(nèi)，在噴出過程中（t／T＝0.25），由于合成射流高強度流向渦的作用，回流區(qū)內(nèi)大尺度的渦結構開始減小。隨著合成射流強度的逐漸增加，回流區(qū)的渦結構繼續(xù)減小，并沿臺階向下游發(fā)生遷移。在t／T＝0.58時刻，可以清晰地看到在臺階下游流場中存在2個尺度相當?shù)臏u結構。

在吸氣過程中，新生成的合成射流流向渦結構的尺度不斷增加，位于圖11（a）中的初始渦結構的尺度逐漸減小，并沿臺階下壁面繼續(xù)向下游運動。在t／T＝0.92時刻，可以看到位于臺階位置新生成的大尺度旋渦結構，初始位置的旋渦結構基本消失。由于合成射流周期性流向渦的不斷注入，促進了流場中的動量交換，使得沿臺階下游區(qū)域的雷諾應力增強，再附點長度降低。

圖11 合成射流控制PIV瞬態(tài)流場結果Fig.11 PIV transient flow field under the control of synthetic jet

圖12 給出了合成射流控制時，利用動態(tài)壓力傳感器測得的沿下壁面不同測壓點位置的功率譜分布。從圖中可以看出，合成射流的擾動對臺階下游流場起到主控作用。在x／h＜4.5區(qū)域內(nèi)，合成射流對臺階下壁面的擾動作用最強，體現(xiàn)為圖中合成射流控制時的功率譜能量變化最顯著。在x／h＝4.5位置，功率譜能量呈現(xiàn)多峰值的分布特征，且能量峰值也較低。

圖12 不同測壓點位置的功率譜分布Fig.12 Power spectrum distribution at different positions of pressure measurement points

結合圖10（a）中的PIV時均速度場測試結果可知，x／h＝4.5位置恰好為再附點位置。在x／h＞6.0區(qū)域內(nèi)，盡管主流流動已經(jīng)發(fā)生再附，但合成射流對該區(qū)域內(nèi)的流動仍具有擾動作用，且隨著流動沿臺階下壁面向下游的發(fā)展，合成射流的擾動作用逐漸減弱。

3 結 論

通過試驗研究，研究了在臺階前緣形成的合成射流對后臺階分離流的控制特性，結合表面測壓和PIV流場測試技術重點分析了合成射流對再附點長度和回流區(qū)流場結構的影響，研究結果表明：

（1）利用在臺階前緣施加的合成射流激勵可有效控制后臺階的分離流動，使得流動分離區(qū)的范圍減小，再附點長度降低。當合成射流的動量系數(shù)為0.771%時，可使再附點長度降低50%。

（2）低頻和高頻的激勵使得后臺階流場呈現(xiàn)為2種不同的流動特性。低頻激勵時后臺階回流區(qū)流動受頻率的影響較顯著，再附點長度隨頻率的增加逐漸減小。合成射流的動量系數(shù)越大，控制效果越好。高頻激勵時后臺階回流區(qū)流動被施加的合成射流激勵“鎖定”，渦脫落的頻率等于合成射流的激勵頻率。

（3）由于合成射流產(chǎn)生的高強度流向渦的作用，提高了沿臺階下游流場的動量交換，使得流場中的雷諾應力增強，分離區(qū)范圍減小，再附點長度降低。

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Experimental investigation on separation flow control of backward facing step with synthetic jet

Li Binbin1，＊，Yao Yong1，Gu Yunsong2，Cheng Keming2
（1.School of Civil Engineering and Architechture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China；2.College of Aeronautics and Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Backward facing step flow with boundary layer separation and reattachment is a common phenomenon in engineering.The research of backward facing step flow has important theoretical significance and practical value.Backward facing step flow contains a variety of complex fluid mechanics，such as flow transition，flow separation，reattachment and unsteady flow.It has important academic significance in the field of fluid mechanics.The test techniques of surface pressure and particle image velocimetry have been applied to investigate the backward facing step turbulent separated flow control with synthetic jet.Through analysis of the pressure coefficient distributions of the step wall surface，transient vortex flow structure and time－averaged flow structure，it reveals the separation flow control mechanism of synthetic jet on the backward facing step reattachment length and recirculation zone.The results show that the synthetic jet imposed on the leading edge can effectively reduce the range of the recirculation zone，the vortex structure of which is locked by the synthetic jet perturbation.In this experiment，the greater the momentum coefficient of the synthetic jet is，the better the control effect becomes.The time－averaged effect is：when the momentum coefficient of the synthetic jet is 0.771%，the reattachment length can be decreased by 50%.

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

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）03－0053－08

10.11729／syltlx20150137

2015－11－16；

2016－01－17

空氣動力學國家重點實驗室基金（JBKY14010201）

＊通信作者E－mail：libinbin－8＠163.com

Li B B，Yao Y，Gu Y S，et al.Experimental investigation on separation flow control of backward facing step with synthetic jet.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（3）：53－60.李斌斌，姚 勇，顧蘊松，等.合成射流后臺階分離流動控制的實驗研究.實驗流體力學，2016，30（3）：53－60.

：V211.7

：A

李斌斌（1980－），男，河北河間人，講師，博士。研究方向：流體流動控制與流動測試技術。通信地址：四川省綿陽市涪城區(qū)青龍大道中段59號，西南科技大學土木工程與建筑學院力學教研室（621010）。E－mail：libin bin－8＠163.com