超聲速來(lái)流下葉片式微型渦流發(fā)生器流動(dòng)控制研究

王旭東，高峰，徐晨洋，張涵

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安　710051)

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超聲速來(lái)流下葉片式微型渦流發(fā)生器流動(dòng)控制研究

王旭東，高峰，徐晨洋，張涵

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051)

不同構(gòu)型的微型渦流發(fā)生器對(duì)提高進(jìn)氣道/隔離段性能所產(chǎn)生的效果不同。采用數(shù)值模擬方法研究來(lái)流馬赫數(shù)為2.0條件下，五種葉片式微型渦流發(fā)生器對(duì)流場(chǎng)邊界層的流動(dòng)控制特性。結(jié)果表明：帶有一定前緣高度的葉片式微型渦流發(fā)生器可產(chǎn)生更強(qiáng)的流向渦，總壓畸變和馬赫數(shù)畸變較小，流場(chǎng)出流質(zhì)量更佳，但同時(shí)帶來(lái)較大的總壓損失；微型渦流發(fā)生器的前緣厚度對(duì)流場(chǎng)性能提升無(wú)明顯幫助，反而會(huì)增大總壓損失；無(wú)前緣高度的微型渦流發(fā)生器能在引入較小總壓損失的情況下，使隔離段擁有較強(qiáng)的抗反壓能力，同時(shí)有效增大壁面摩擦系數(shù)，提高邊界層對(duì)抗分離的能力。

超聲速；隔離段；微型渦流發(fā)生器；流動(dòng)控制；數(shù)值仿真

0　引　言

超聲速進(jìn)氣道的性能與進(jìn)氣道內(nèi)邊界層的發(fā)展?fàn)顟B(tài)直接相關(guān)，在粘性作用和高逆壓梯度作用下，邊界層發(fā)展不夠飽滿且厚度會(huì)迅速增加，穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象。邊界層分離可能引起進(jìn)氣道性能退化，嚴(yán)重影響進(jìn)氣道的工作效率[1]。因此，對(duì)邊界層流動(dòng)進(jìn)行控制有益于提升進(jìn)氣道性能。國(guó)內(nèi)外已對(duì)微型斜坡、微型葉片、開(kāi)槽、肋片等構(gòu)型對(duì)流動(dòng)控制的效果進(jìn)行了研究，證實(shí)將構(gòu)型置于附面層內(nèi)可以在很大程度上改善進(jìn)氣道性能[2-5]。

在微型渦流發(fā)生器(Micro Vortex Generator，簡(jiǎn)稱(chēng)MVG)對(duì)超聲速進(jìn)氣道啟動(dòng)性能影響的研究中，M.D.Atkinson[6]采用AVUS求解三維穩(wěn)態(tài)N-S方程的方法，通過(guò)對(duì)比邊界層抽吸和微型斜坡控制下的流場(chǎng)特性參數(shù)，得出微型斜坡可增強(qiáng)進(jìn)氣道性能的結(jié)論。K.Yuceil等[7]將微型斜坡和射流式渦流發(fā)生器組合，研究發(fā)現(xiàn)該組合可以有效增強(qiáng)進(jìn)氣道/隔離段抗反壓能力。B.H.Anderson等[3]采用RANS仿真計(jì)算了馬赫數(shù)2.0條件下，將三種標(biāo)準(zhǔn)微型斜坡和微型葉片構(gòu)型進(jìn)行比較優(yōu)化，認(rèn)為各類(lèi)型的MVG均能夠維持流場(chǎng)的穩(wěn)定。S.Lee等[8-9]綜合比較了標(biāo)準(zhǔn)微型斜坡和斜坡/葉片式MVG，發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)微型斜坡相比，斜坡/葉片式和三棱錐葉片式MVG能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的尾部渦流，并且使中心線上分離區(qū)長(zhǎng)度大為縮短，但其關(guān)于MVG流動(dòng)控制特性的研究多在周期性邊界條件下進(jìn)行，未考慮進(jìn)氣道側(cè)面的影響。

目前，國(guó)內(nèi)將MVG用于超聲速流動(dòng)控制的研究尚處于起步階段，王博[10]采用NPLS技術(shù)、超聲速PIV技術(shù)并結(jié)合混合RANS/LES數(shù)值模擬方法對(duì)MVG作用于激波/邊界層干擾流動(dòng)控制的機(jī)理進(jìn)行了研究。薛大文等[11]基于LES對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)2.5條件下MVG繞流流場(chǎng)進(jìn)行模擬，證明MVG產(chǎn)生的流向渦對(duì)與渦環(huán)結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)下游邊界層產(chǎn)生作用。

本文針對(duì)進(jìn)氣道來(lái)流嚴(yán)重非對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有葉片式MVG構(gòu)型在實(shí)際進(jìn)氣道模型中進(jìn)行三維仿真計(jì)算，著重研究構(gòu)型的流動(dòng)控制效果。

1　計(jì)算模型

計(jì)算流道模型參考K.Yuceil等[7]的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ涂傞L(zhǎng)為317.8 mm，由90.7 mm長(zhǎng)的進(jìn)氣道和227.1 mm長(zhǎng)的直通道隔離段組成，高度為25.4 mm，寬度為30.0 mm。為了使來(lái)流附面層充分發(fā)展，在進(jìn)氣道入口前加一段259.3 mm長(zhǎng)的附面層發(fā)展段；為了排除其他干擾因素，有效比較各構(gòu)型對(duì)邊界層的控制效果，將原進(jìn)氣道中長(zhǎng)90.7 mm的楔形激波發(fā)生器改為平直滑移段。設(shè)置MVG前緣對(duì)稱(chēng)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of calculation model structure

采用FLUENT軟件進(jìn)行求解，考慮到近壁區(qū)及MVG附近繞流的復(fù)雜性，湍流模型選用SSTk-ω湍流模型，該模型使用混合函數(shù)彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的不足，減小了計(jì)算誤差，可以準(zhǔn)確地模擬激波/邊界層干擾以及高壓力梯度變化的流動(dòng)現(xiàn)象。來(lái)流為理想氣體，氣體粘度采用Sutherland方程描述，并選取基于密度的耦合顯式求解器求解穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。由于計(jì)算區(qū)域來(lái)流非對(duì)稱(chēng)，附面層發(fā)展段上壁面和側(cè)壁面設(shè)為滑移壁面，其余壁面設(shè)為絕熱無(wú)滑移壁面。來(lái)流馬赫數(shù)Ma=2.0，進(jìn)口條件為壓力進(jìn)口，總溫T0=300 K，總壓P0=360.224 kPa，靜壓P=48.433 kPa，出口為壓力出口，背壓Pb=167.58 kPa。

為了深入研究各構(gòu)型的流動(dòng)控制特性，設(shè)置五個(gè)算例：標(biāo)準(zhǔn)矩形葉片BV、前緣劈薄葉片SV、標(biāo)準(zhǔn)三棱柱葉片HV、三棱錐葉片TV和斜坡葉片RV，各構(gòu)型放置于隔離段入口處。為了統(tǒng)一尺寸，令各構(gòu)型的后緣高度h=2.7 mm，前緣或后緣寬度s=0.5h，軸向長(zhǎng)度c=6.57h，分離構(gòu)型之間后緣間距w=h，與來(lái)流夾角α=12°，計(jì)算模型如圖2所示。

(a) BV

(b) SV

(c) HV

(d) TV

(e) RV 圖2　葉片式MVG結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of vane type MVGs

計(jì)算域網(wǎng)格采用ICEM軟件來(lái)劃分，由于計(jì)算域?qū)ΨQ(chēng)，故取一半進(jìn)行計(jì)算。為了保證計(jì)算精度，對(duì)近壁面處、MVG附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總量約為300萬(wàn)，三棱錐葉片局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　三棱錐葉片局部網(wǎng)格示意圖Fig.3　Local grid construction of TV

控制段下壁面y+云圖如圖4所示，可以看出控制段的壁面y+均在1以下，能夠滿足SSTk-ω湍流模型對(duì)壁面網(wǎng)格密度的要求。

圖4　控制段下壁面y+云圖Fig.4　y+ contour of isolator down wall

2　計(jì)算結(jié)果與分析

抗反壓能力是表征進(jìn)氣道/隔離段性能及流動(dòng)控制能力的一個(gè)重要指標(biāo)，在進(jìn)氣道唇口處加入微型渦流發(fā)生器可有效提高進(jìn)氣道的抗反壓能力[7]。不同葉片式MVG控制下的流場(chǎng)上壁面靜壓云圖如圖5所示，激波串未吐出進(jìn)氣道，流場(chǎng)壓強(qiáng)前鋒均被嚴(yán)格控制在隔離段入口內(nèi)。

圖5　不同葉片式MVG控制下的流場(chǎng)上壁面靜壓云圖Fig.5　Pressure contour at up wall under the control of different leaf type MVG

從圖5可以看出：相對(duì)而言，BV和SV的激波數(shù)量較多，尤其是在流場(chǎng)后部，激波之間的間距較小，表明斜激波的激波角已接近接近90°，基本呈正激波態(tài)，可能會(huì)造成較大的總壓損失，同時(shí)，激波/邊界層干擾效應(yīng)增強(qiáng)，造成邊界層穩(wěn)定性變差。其原因是：BV和SV前緣高度較高，來(lái)流會(huì)產(chǎn)生更為激烈的擾動(dòng)作用，使氣流增壓較為明顯，造成激波角增大，在相同的流道長(zhǎng)度內(nèi)，激波串在上下壁面之間的反射次數(shù)明顯增加。

為了更加直觀地分析流場(chǎng)壓強(qiáng)的分布情況，對(duì)比下壁面展向平均無(wú)量綱靜壓曲線，如圖6所示。

圖6　下壁面展向平均無(wú)量綱壓強(qiáng)曲線Fig.6　Spanwise averaged pressure at down wall

從圖6可以看出：葉片后部流場(chǎng)靜壓始終保持BV和SV最大，HV、TV和RV相對(duì)較小，表明后三種控制構(gòu)型能夠?qū)⒖刂贫蝺?nèi)的高壓區(qū)控制在流場(chǎng)相對(duì)靠后的位置，抗燃燒室反壓能力更好。

對(duì)稱(chēng)面湍動(dòng)能等值線如圖7所示。

圖7　對(duì)稱(chēng)面湍動(dòng)能強(qiáng)度Fig.7　Turbulence kinetic energy contour at symmetry plane

從圖7可以看出：BV和SV的流場(chǎng)在葉片后部存在大范圍高湍動(dòng)能區(qū)域，湍流程度更大，形成亞聲速的回流區(qū)，表明在出口高反壓的作用下，下壁面流場(chǎng)逆壓梯度較大，擾動(dòng)作用增強(qiáng)，流體之間剪切作用增強(qiáng)，使流動(dòng)動(dòng)能以熱量形式消耗，可能會(huì)導(dǎo)致總壓損失增大；高湍動(dòng)能區(qū)域在流場(chǎng)尾部幾乎充滿整個(gè)流道，表明后部流場(chǎng)邊界層較厚，與上壁面距離縮短，激波反射距離較短，反射頻率增加，進(jìn)一步解釋了上壁面壓強(qiáng)云圖(圖5)中BV和SV流場(chǎng)后部激波數(shù)量較多且間距較短的現(xiàn)象。

為了探究不同葉片式MVG對(duì)邊界層的作用機(jī)理，分別對(duì)對(duì)稱(chēng)面、x=30 mm和x=60 mm截面的馬赫數(shù)云圖、流線圖和下壁面流線圖(如圖8所示)進(jìn)行分析。

(a) BV

(b) SV

(c) HV

(d) TV

(e) RV 圖8　對(duì)稱(chēng)面、x=30 mm和x=60 mm處 馬赫數(shù)云圖、流線圖和下壁面流線圖Fig.8　Ma number contour and streamline at symmetry,x=30 mm and x=60 mm plane

從馬赫數(shù)云圖和下壁面流線圖可以看出：BV和SV對(duì)稱(chēng)面低速區(qū)范圍較大，原因是高前緣的葉片其內(nèi)部空腔可聚攏的來(lái)流流量更大，來(lái)流受到更強(qiáng)的阻滯作用，中心流流速減緩明顯，但正是由于壓縮作用強(qiáng)，使增壓幅度較大，分離區(qū)后移，角區(qū)的低速區(qū)較HV、TV和RV要小。從截面流線圖可以看出：由于HV、TV和RV前后緣有一定的高度差，來(lái)流經(jīng)葉片上部溢出進(jìn)入側(cè)邊低壓區(qū)，與低速流混合形成流向渦。從展向切片的流線圖可以看出：BV和SV的流向渦在x=60 mm處幾乎無(wú)衰減，作用距離更遠(yuǎn)，這是因?yàn)锽V和SV前緣高度較高，側(cè)面形成更大范圍的低壓區(qū)，葉片兩側(cè)的來(lái)流經(jīng)葉片兩側(cè)向低壓區(qū)聚攏，形成強(qiáng)度更大的流向渦。

不同葉片控制段流場(chǎng)沿流向的總壓損失和壁面摩擦系數(shù)曲線圖如圖9所示。

(a) 總壓損失系數(shù)

(b) 壁面摩擦系數(shù) 圖9　總壓損失和壁面摩擦系數(shù)曲線Fig.9　Graphs of total pressure loss coefficient and wall friction coefficient

從圖9(a)可以看出：各構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)的總壓損失有一定影響，不帶前緣高度的葉片總壓損失相對(duì)較小且相互之間無(wú)明顯差別，而帶前緣高度的葉片則會(huì)造成較大的總壓損失，同時(shí)，BV較SV總壓損失更高，表明葉片前緣厚度對(duì)流場(chǎng)的阻滯作用也會(huì)使總壓損失增大。綜上所述，葉片式MVG改善流場(chǎng)流動(dòng)性的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的總壓損失，必然影響發(fā)動(dòng)機(jī)的凈推力。因此，合理選擇低前緣高度的控制構(gòu)型至關(guān)重要。

壁面速度梯度決定了壁面摩擦系數(shù)Cf，提升當(dāng)?shù)谻f值可以在延遲分離的同時(shí)減小擾動(dòng)區(qū)[12]，因此Cf值的大小反映了控制段的流場(chǎng)特性和控制效果的優(yōu)劣。

(1)

式中：τw為近壁面剪切應(yīng)力；ρe為當(dāng)?shù)亓黧w密度；ue為當(dāng)?shù)亓飨蛩俣取?/p>

從圖9(b)可以看出：就整體發(fā)展趨勢(shì)而言，壁面摩擦系數(shù)沿流向先增加后降低直至趨于穩(wěn)定，表明在控制器作用下流場(chǎng)中段表面摩阻增大最多，邊界層發(fā)展最為飽滿，也最不容易發(fā)生分離；在同樣大小的出口背壓下，BV和SV的Cf峰值出現(xiàn)在x/h=26處，HV、TV和RV的Cf峰值要延后約11.1h，表明在HV、TV和RV控制下，動(dòng)能較高的流體被渦旋帶到壁面附近，提高了邊界層對(duì)抗分離的能力，其中TV的Cf值總體保持在最高水平。

為了比較隔離段出流質(zhì)量，研究總壓畸變指數(shù)(Dp)和馬赫數(shù)畸變指數(shù)(DM)變化曲線，如圖10所示。

(a) 總壓畸變指數(shù)

(b) 馬赫數(shù)畸變指數(shù) 圖10　總壓畸變指數(shù)和馬赫數(shù)畸變指數(shù)曲線Fig.10　Graphs of total pressure distortion andMa number distortion

從圖10可以看出：流場(chǎng)在MVG附近受到擾動(dòng)，總壓畸變?cè)龃螅笥旨眲∠陆?，表明葉片式MVG可有效降低總壓畸變，對(duì)流場(chǎng)質(zhì)量具有極大地改善作用；BV和SV的控制段總壓畸變指數(shù)明顯優(yōu)于HV、TV和RV，在控制段流場(chǎng)馬赫數(shù)畸變指數(shù)上也表現(xiàn)出相似的特征，表明帶前緣寬度和高度的葉片式MVG改善流場(chǎng)出流質(zhì)量的能力更佳；BV和SV的Dp、DM值幾乎一致，但總壓損失BV較大，表明前緣高度對(duì)流場(chǎng)參數(shù)影響較大，前緣厚度對(duì)流場(chǎng)性能提升無(wú)明顯幫助，反而會(huì)增大總壓損失。綜合考慮總壓損失和壁面摩擦系數(shù)等因素，應(yīng)合理選擇葉片式MVG的前緣高度，使超聲速流場(chǎng)控制能力最優(yōu)化。

3　結(jié)　論

(1) 帶有一定前緣高度的BV和SVMVG可產(chǎn)生更強(qiáng)的流向渦，但同時(shí)帶來(lái)較大的總壓損失。

(2) 無(wú)前緣高度的HV、TV和RVMVG能在引入較小總壓損失的情況下使隔離段擁有較強(qiáng)的抗反壓能力，同時(shí)有效增大壁面摩擦系數(shù)，提高邊界層對(duì)抗分離的能力，其中TVMVG各項(xiàng)性能參數(shù)相對(duì)最好。

(3) 帶前緣寬度和高度的BV和SVMVG的出流總壓畸變和馬赫數(shù)畸變較小，流場(chǎng)出流質(zhì)量更佳，前緣厚度對(duì)流場(chǎng)性能提升無(wú)明顯幫助，反而會(huì)增大總壓損失。

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(編輯：馬文靜)

Investigation on Flow Control of Supersonic Flow Past Vane Type Micro Vortex Generator

Wang Xudong, Gao Feng, Xu Chenyang, Zhang Han

(College of Air and Missile Defense， Air Force Engineering University, Xi’an 710051，China)

It is proved that different micro vortex generator(MVG) will have different effects to improve the performance of the inlet/isolator. The supersonic flow(Ma=2.0) past vane types of micro-ramps are simulated to improve the characteristics of isolator. Results show that MVG with high leading edge generates stronger streamwise vortex, the total pressure distortion and Mach number distortion decrease but brings higher total pressure loss. The leading edge thickness of MVG is not helpful to improve flow control characteristics, but causes more total pressure loss. Flow filed controlled by MVG with thin leading edge will have higher back pressure and increase skin fraction coefficient.

supersonic; isolator; micro vortex generator; flow control; numerical simulation

2016-03-23；

2016-04-28

王旭東,dongfeng8330@163.com

1674-8190(2016)03-273-06

V235

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.03.002

王旭東(1991-)，男，碩士研究生。主要研究方向：超聲速流動(dòng)控制。

高峰(1965-)，男，博士，副教授。主要研究方向：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)理論。

徐晨洋(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：超聲速燃燒。

張涵(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：飛行器論證、設(shè)計(jì)與作戰(zhàn)使用。