基于合成射流的二維后臺(tái)階分離流主動(dòng)控制

李斌斌， 姚勇， 顧蘊(yùn)松， 程克明

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

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基于合成射流的二維后臺(tái)階分離流主動(dòng)控制

李斌斌1,*， 姚勇1， 顧蘊(yùn)松2， 程克明2

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

作為一種新的流動(dòng)控制激勵(lì)器，合成射流技術(shù)在流動(dòng)分離控制、降低壓力脈動(dòng)和抑制噪聲等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)利用合成射流主動(dòng)控制技術(shù)對(duì)二維后臺(tái)階湍流分離再附流動(dòng)控制進(jìn)行了研究，應(yīng)用表面測(cè)壓、粒子圖像測(cè)速(PIV)和熱線等多種實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)對(duì)后臺(tái)階表面壓力分布、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及剪切層特性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，在臺(tái)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(zhǎng)度，當(dāng)合成射流的動(dòng)量系數(shù)為0.301×10-3時(shí)，可使再附點(diǎn)長(zhǎng)度減小25%。合成射流控制使得沿臺(tái)階下游的湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力增強(qiáng)，提高了臺(tái)階下游流場(chǎng)的混合效率。熱線動(dòng)態(tài)結(jié)果表明頻率是后臺(tái)階分離流動(dòng)控制的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)頻率為260 Hz、激勵(lì)頻率與剪切層渦脫落頻率之比為1.32、激勵(lì)頻率等同于旋渦脫落頻率時(shí)，合成射流控制效果最好，僅需消耗較小的能量即可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制的目的。

合成射流； 后臺(tái)階； 流動(dòng)控制； 流動(dòng)分離； 再附點(diǎn)長(zhǎng)度

后臺(tái)階(Backward Facing Step， BFS)流場(chǎng)是典型的邊界層分離后再附之流場(chǎng)，亦稱為突張室流場(chǎng)[1-2]。雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因流場(chǎng)性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，流場(chǎng)內(nèi)流體的混合效率極佳，故常被應(yīng)用于駐焰器、燃燒室、擴(kuò)張器、機(jī)翼與建筑物周圍風(fēng)場(chǎng)等工程中[3-5]。后臺(tái)階流動(dòng)的分離將會(huì)導(dǎo)致一些不利的影響，如高速旋渦的形成、壓力損失、脈動(dòng)增大以及噪聲等[6]。因此，有必要采取流動(dòng)控制措施來(lái)抑制其分離流動(dòng)。

后臺(tái)階的流動(dòng)分離控制可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制[7]。被動(dòng)控制是指沒(méi)有外部能量的注入，如在流場(chǎng)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(chǎng)下游形成流向渦，提高流場(chǎng)的混合效率，從而降低分離區(qū)范圍?？刂品椒ê?jiǎn)單易行，但存在無(wú)法根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)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(chǎng)部分區(qū)域的動(dòng)量交換，對(duì)流場(chǎng)中大多數(shù)區(qū)域的動(dòng)量交換降低。

主動(dòng)控制是在流場(chǎng)中直接施加適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)模式，并與流動(dòng)的內(nèi)在模式相耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的控制。在以往的研究中，吹吸氣控制被廣泛應(yīng)用于后臺(tái)階的分離流動(dòng)控制。Sano等[9]對(duì)臺(tái)階階腳處平行主流和臺(tái)階處垂直主流的后臺(tái)階分離流動(dòng)控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了吸氣流量系數(shù)對(duì)再附點(diǎn)長(zhǎng)度和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。陳國(guó)定和明曉[10]對(duì)不同吹吸氣位置的后臺(tái)階分離流動(dòng)控制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該方法能夠有效減小再附點(diǎn)長(zhǎng)度，控制再附區(qū)附近的摩擦應(yīng)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(tái)階分離再附流動(dòng)，當(dāng)上游尾渦脫落頻率St為0.2時(shí)，可使再附點(diǎn)長(zhǎng)度減小10%。Dejoan和Leschziner[12]利用周期性振蕩射流對(duì)后臺(tái)階分離流動(dòng)進(jìn)行了控制研究，分析了振蕩射流幅值和頻率參數(shù)變化對(duì)后臺(tái)階流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

從20世紀(jì)90年代中期起，以合成射流為主導(dǎo)的零質(zhì)量射流成為主動(dòng)流動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)[13]。與常規(guī)射流相比，合成射流具有無(wú)需氣源供應(yīng)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、工作頻帶寬和零質(zhì)量流率等特點(diǎn)，在分離流控制、推力矢量、前體渦控制、氣動(dòng)舵面控制、旋翼流動(dòng)控制以及無(wú)人機(jī)流動(dòng)控制等方面具有廣泛的應(yīng)用[14-17]。在流動(dòng)分離控制方面，合成射流具有控制邊界層流動(dòng)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(dòng)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(duì)翼型分離流動(dòng)控制的效果對(duì)比，驗(yàn)證了合成射流技術(shù)在推遲邊界層分離、改善翼型氣動(dòng)特性方面具有巨大的潛能[24]。合成射流對(duì)流動(dòng)分離的自由剪切層控制研究相對(duì)較少，本文利用在臺(tái)階前緣形成的合成射流微擾動(dòng)對(duì)后臺(tái)階流動(dòng)分離形成的剪切層進(jìn)行控制研究，結(jié)合表面測(cè)壓、粒子圖像測(cè)速(PIV)和熱線動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，重點(diǎn)研究了合成射流對(duì)后臺(tái)階再附點(diǎn)長(zhǎng)度和回流區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響特性，揭示了合成射流射流能量和擾動(dòng)頻率對(duì)剪切層的控制機(jī)制。

1　模型與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1射流風(fēng)洞和后臺(tái)階模型

合成射流后臺(tái)階分離流動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)的二元直流式低速射流風(fēng)洞中進(jìn)行，該射流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中主射流速度U∞=15 m/s，以臺(tái)階高度為參考的實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Reh=20 548，測(cè)得射流出口中心湍流度約為3‰，射流風(fēng)洞和后臺(tái)階實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)所用后臺(tái)階模型為典型的背向二維階梯結(jié)構(gòu)，為方便PIV流場(chǎng)測(cè)試，整個(gè)模型采用透明有機(jī)玻璃材料加工。后臺(tái)階模型入口截面尺寸為250 mm×50 mm，高度H1=50 mm，與射流風(fēng)洞出口尺寸相一致。突張室高度H2=70 mm，與二元射流風(fēng)洞試驗(yàn)段出口尺寸相一致。后臺(tái)階突張室高度為70 mm，出口截面尺寸為250 mm×70 mm，臺(tái)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(lì)器

圖2為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的用于后臺(tái)階分離流動(dòng)控制的合成射流激勵(lì)器。主體結(jié)構(gòu)主要由激勵(lì)器振動(dòng)腔、陣列式射流出口和揚(yáng)聲器振動(dòng)膜組成。激勵(lì)器腔體尺寸為200 mm×200 mm×80 mm，射流出口由13個(gè)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(yáng)聲器振動(dòng)膜的最大輸出功率為40 W。

1.3測(cè)試技術(shù)和方法

1) 表面測(cè)壓技術(shù)

測(cè)壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國(guó)NI公司的測(cè)壓系統(tǒng)，主要由：PXI-6284數(shù)據(jù)采集卡，信號(hào)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(cè)壓傳感器量程為0.15 psi (1 psi=6.895 kPa)。沿臺(tái)階底部中心位置下游0.5h位置，每隔0.5h臺(tái)階高度依次布置有40個(gè)直徑為l.2 mm的靜壓孔，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)階下表面沿程壓力分布的測(cè)量。

2) PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

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

PIV測(cè)試時(shí)激光片光位置對(duì)準(zhǔn)臺(tái)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(cè)量要求。

3)熱線動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)

熱線測(cè)試系統(tǒng)為南京航空航天大學(xué)自主研制的四路熱線風(fēng)速儀，主要由：?jiǎn)谓z熱線探針(直徑為5 μm)和日本小野公司的CF920動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成。熱線探針的頻響為10 kHz，實(shí)驗(yàn)中定義fs為臺(tái)階分離剪切層的渦脫落頻率。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1后臺(tái)階的流動(dòng)特性

依照Bradshaw和Wong[25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)臺(tái)階的寬高比AR>10時(shí)，則可將其流場(chǎng)視為二維流動(dòng)特性，本文臺(tái)階試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶捀弑華R=12.5(大于10)，為了對(duì)其二維流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，利用七孔探針測(cè)試技術(shù)對(duì)主射流沿臺(tái)階不同占位的x-y截面的x方向的主流速度Vx分布進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(shí)均速度場(chǎng)分布具有一致性，說(shuō)明臺(tái)階內(nèi)部流場(chǎng)是滿足二維流動(dòng)特性的，有利于進(jìn)行合成射流的分離流動(dòng)控制研究。

圖5給出了臺(tái)階下壁面壓力系數(shù)Cps隨實(shí)驗(yàn)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(gè)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(wú)變化，說(shuō)明在該區(qū)域臺(tái)階下壁面的流動(dòng)呈現(xiàn)為再附流動(dòng)。

圖4　七孔探針時(shí)均速度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Fig.4　Results of seven hole probe average velocity field

結(jié)合圖6中的后臺(tái)階時(shí)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(tái)階下壁面，流動(dòng)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(wú)變化。

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

圖6　時(shí)均速度和渦量分布Fig.6　Distribution of time-average velocity and vorticity　

2.2合成射流對(duì)再附點(diǎn)長(zhǎng)度的控制特性

再附點(diǎn)長(zhǎng)度是衡量后臺(tái)階回流區(qū)流動(dòng)的一個(gè)重要特征參數(shù)，因此本文以控制電壓U=5 V為例，重點(diǎn)研究了合成射流控制時(shí)再附點(diǎn)長(zhǎng)度隨激勵(lì)頻率的變化特性。

圖7(a)給出了利用自制的壓力監(jiān)測(cè)探針和壓力傳感器測(cè)得的無(wú)量綱再附點(diǎn)長(zhǎng)度XL/h隨激勵(lì)頻率的變化曲線。由圖可知，無(wú)量綱再附點(diǎn)長(zhǎng)度XL/h隨控制頻率的變化較顯著，當(dāng)激勵(lì)頻率f/fs=0.71和1.32時(shí)，再附點(diǎn)長(zhǎng)度XL/h達(dá)到最小，與無(wú)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(dāng)f/fs=0.71(f=140 Hz)時(shí)，合成射流速度最大，射流能量最強(qiáng)；而當(dāng)f/fs=1.32(f=260 Hz)時(shí)，合成射流能量較弱。關(guān)于其內(nèi)在機(jī)制將在熱線測(cè)試部分加以解釋。

圖7　再附點(diǎn)長(zhǎng)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(cè)探針是由一對(duì)直徑?1.2 mm的不銹鋼探針管設(shè)計(jì)加工成L型，頭部采用焊錫密封成橢球形，在L型頭部正對(duì)主流前后位置開設(shè)有一個(gè)直徑?0.5 mm的前后總壓孔，構(gòu)成對(duì)臺(tái)階下壁面底層進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)得的合成射流控制時(shí)，沿臺(tái)階下游流場(chǎng)的速度V、渦量ω、湍動(dòng)能(TKE)和雷諾應(yīng)力-u＇v＇的分布云圖。

圖8　合成射流控制PIV時(shí)均流場(chǎng)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(tái)階位置平行，施加合成射流控制對(duì)該區(qū)域流動(dòng)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(shí)，隨著流場(chǎng)中小渦結(jié)構(gòu)的配對(duì)、合并過(guò)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(qiáng)度減弱，流場(chǎng)中旋渦配對(duì)、合并過(guò)程的長(zhǎng)度減小。

從湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力分布可以看出，在3

2.3激勵(lì)頻率對(duì)剪切層的控制特性

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

圖9(a)給出了實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下熱線測(cè)得的分離剪切層波形圖和功率譜結(jié)果，熱線測(cè)試位置位于臺(tái)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(shuō)明主流沿臺(tái)階邊緣位置發(fā)生流動(dòng)分離后，是以高速運(yùn)動(dòng)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(dāng)施加控制電壓U=5 V時(shí)，隨激勵(lì)頻率的增加，合成射流的射流能量逐漸增強(qiáng)，在激勵(lì)頻率f/fs=0.71時(shí)射流能量達(dá)到最強(qiáng)，合成射流的擾動(dòng)控制作用也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)激勵(lì)頻率f/fs=0.71時(shí)，從對(duì)應(yīng)的波形圖可以看出此時(shí)剪切層的能量較強(qiáng)，但功率譜中顯示此時(shí)合成射流控制僅是使得激勵(lì)頻率下的尖峰能量增強(qiáng)，而剪切層的特性并沒(méi)有發(fā)生變化。說(shuō)明剪切層對(duì)合成射流的擾動(dòng)不敏感，剪切層的能量增強(qiáng)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(shí)熱線實(shí)驗(yàn)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(dāng)頻率f/fs=1.32時(shí)，從波形圖可以看出，盡管此時(shí)的射流能量較弱，但此時(shí)剪切層的能量卻要強(qiáng)于f/fs=0.71的共振頻率。從對(duì)應(yīng)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(qiáng)。說(shuō)明在該激勵(lì)頻率下，合成射流擾動(dòng)與分離剪切層的相互作用最強(qiáng)，兩種流體的頻率相當(dāng)，剪切層對(duì)合成射流的擾動(dòng)起到了放大作用。較高或較低的激勵(lì)頻率，雖然合成射流的射流能量較強(qiáng)，但兩種擾動(dòng)的相互干擾作用不敏感，因此不具有顯著的控制效果，在進(jìn)行流動(dòng)控制時(shí)必定會(huì)消耗更多的射流能量。

為了進(jìn)一步加以驗(yàn)證，圖10給出了沿臺(tái)階中心底層位置，熱線測(cè)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(tái)階下游6h～8h范圍內(nèi)的合成射流控制影響恢復(fù)區(qū)，與無(wú)控制相比，施加合成射流控制后速度得到恢復(fù)，在頻率f/fs=1.32時(shí)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(tái)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(tái)階位置移動(dòng)。當(dāng)頻率f/fs=1.32時(shí)，均方根值的峰值位置由無(wú)控制時(shí)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(cè)結(jié)果相一致。

2.4不同強(qiáng)度合成射流的控制特性

熱線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)激勵(lì)器頻率等同于剪切層頻率時(shí)，合成射流控制效果最好。為了分析不同射流強(qiáng)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(dòng)量系數(shù)Cμ的概念，即

式中：Vsj為激勵(lì)器整個(gè)工作周期內(nèi)的平均速度；S為臺(tái)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(lì)器出口瞬時(shí)空間平均速度；T為振動(dòng)膜的振動(dòng)周期。

圖11給出了射流動(dòng)量系數(shù)Cμ變化時(shí)，合成射流對(duì)表面壓力系數(shù)分布和再附點(diǎn)長(zhǎng)度的控制效果。由圖可知，隨射流動(dòng)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(lì)頻率f/fs=1.32，熱線測(cè)得的合成射流控制時(shí)剪切層特性隨射流動(dòng)量系數(shù)Cμ變化的波形圖和功率譜信號(hào)。從熱線測(cè)試結(jié)果中可以看出，隨射流動(dòng)量系數(shù)Cμ的增加，合成射流的控制效果增強(qiáng)。功率譜結(jié)果顯示，當(dāng)最大射流動(dòng)量系數(shù)大于0.109×10-3時(shí)，合成射流才對(duì)后臺(tái)階分離剪切層具有控制效果，且隨射流動(dòng)量系數(shù)的增加，合成射流對(duì)后臺(tái)階分離剪切層的擾動(dòng)不斷增強(qiáng)。

圖11　表面壓力系數(shù)和再附點(diǎn)長(zhǎng)度隨射流動(dòng)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(dòng)量系數(shù)變化時(shí)熱線測(cè)試結(jié)果Fig.12　Hot wire results when synthetic jet momentum coefficient changes

3　結(jié)　論

1) 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用合成射流主動(dòng)控制技術(shù)可有效控制后臺(tái)階分離流動(dòng)，使得再附點(diǎn)長(zhǎng)度降低，回流區(qū)范圍減小。

2) 合成射流后臺(tái)階分離流動(dòng)控制的PIV結(jié)果表明，合成射流控制使得沿臺(tái)階下游的湍動(dòng)能和雷諾應(yīng)力增強(qiáng)，提高了臺(tái)階下游流場(chǎng)的混合效率和動(dòng)量摻混，使得再附點(diǎn)長(zhǎng)度降低。

3) 熱線動(dòng)態(tài)結(jié)果表明頻率是后臺(tái)階分離流動(dòng)控制的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)激勵(lì)頻率等同于旋渦脫落頻率時(shí)，合成射流的控制效果最好。此時(shí)剪切層對(duì)合成射流的擾動(dòng)具有放大作用，僅需消耗較小的能量即可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)控制的目的。對(duì)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(dòng)量系數(shù)的增加，合成射流對(duì)后臺(tái)階分離剪切層的擾動(dòng)不斷增強(qiáng)，臺(tái)階下游分離區(qū)范圍逐漸減小，再附點(diǎn)長(zhǎng)度降低。當(dāng)激勵(lì)頻率f/fs=1.32時(shí)，合成射流的動(dòng)量系數(shù)僅需消耗0.301×10-3，即可使再附點(diǎn)長(zhǎng)度減小25%。

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李斌斌男， 博士， 講師。主要研究方向： 流動(dòng)測(cè)試與流體流動(dòng)控制。

Tel: 0816-2461214

E-mail: libinbin-8@163.com

顧蘊(yùn)松男， 教授。主要研究方向：實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)， 流體流動(dòng)測(cè)試與流動(dòng)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(shí)間： 2016-01-1413:25

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

空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)松， 等. 基于合成射流的二維后臺(tái)階分離流主動(dòng)控制[J]． 航空學(xué)報(bào), 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