合成射流低速射流矢量偏轉(zhuǎn)控制的PIV實(shí)驗(yàn)研究

李斌斌, 姚 勇, 顧蘊(yùn)松, 程克明(. 西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 四川 綿陽 600; . 南京航空航天大學(xué), 江蘇 南京 006)

0 引 言

推力矢量技術(shù)是指通過偏轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管或尾噴流的方向，從而獲得額外的操縱力矩。推力矢量技術(shù)可以代替或部分代替常規(guī)的操縱面，給飛行器的設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)效能帶來顯著提升。推力矢量控制以及由此帶來的過失速機(jī)動(dòng)、隱身性和超音速巡航并列成為第四代戰(zhàn)斗機(jī)的主要特征[1-2]。

推力矢量技術(shù)主要分為兩大類：機(jī)械式和流體式推力矢量[3]。美國(guó)Rockwell公司、Boeing公司和德國(guó)MBB公司通過在X-31發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口安裝折流板的控制方案，利用折流板的轉(zhuǎn)向可以實(shí)現(xiàn)尾噴流的矢量控制。該方法的特點(diǎn)是無需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做任何改裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但需要龐大復(fù)雜的機(jī)械作動(dòng)裝置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，同時(shí)伴隨高溫下的運(yùn)動(dòng)部件增多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱帶來嚴(yán)重影響。

與機(jī)械式推力矢量控制相比，流體式推力矢量具有結(jié)構(gòu)重量輕、易于控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到大幅度提高[4- 5]。流體式推力矢量控制通常借助于引入的二次射流來影響主流的流態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)主流的推力矢量控制。二次射流的矢量控制需要具有復(fù)雜的氣源供應(yīng)和噴射系統(tǒng)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大大增加。此外，從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣進(jìn)行二次射流矢量控制還會(huì)造成總推力損失。最近引入的合成射流概念為射流矢量控制提出了全新的選擇，與傳統(tǒng)的控制方式相比，合成射流控制具有“無源性”，同時(shí)具有微型化、零質(zhì)量流率、控制部件簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]。

合成射流技術(shù)是一種全新的流場(chǎng)主動(dòng)控制方法，國(guó)內(nèi)外一批科研機(jī)構(gòu)和院校對(duì)其工作機(jī)理和流場(chǎng)特性等方面進(jìn)行了大量研究[7-8]。作為一種典型的流動(dòng)控制器，合成射流在流動(dòng)分離控制[9]、增升/減阻控制[10]及非對(duì)稱渦控制[11]等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前，應(yīng)用合成射流激勵(lì)器進(jìn)行射流矢量偏轉(zhuǎn)控制也普遍受到重視[12]。合成射流控制技術(shù)為射流矢量控制提供了一種新的途徑，通過微尺度的射流注入并與主射流剪切層的相互作用，可以形成一個(gè)特殊的流動(dòng)區(qū)域，從而對(duì)流動(dòng)的邊界起到放大的控制作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度主射流宏觀整體流動(dòng)的矢量控制。

本文通過在二元矩形射流風(fēng)洞出口兩側(cè)布置合成射流激勵(lì)器，在主射流未形成Coanda效應(yīng)的前提下，利用合成射流非定常擾動(dòng)“激發(fā)”誘導(dǎo)主射流剪切層，使主射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)合PIV測(cè)試技術(shù)研究了合成射流在不同工作狀態(tài)下對(duì)低速主射流矢量偏轉(zhuǎn)控制的影響，探討其流動(dòng)控制機(jī)理，進(jìn)而為合成射流技術(shù)應(yīng)用于推力矢量控制奠定基礎(chǔ)。

1 模型與試驗(yàn)裝置

1.1 二元低速射流風(fēng)洞

合成射流低速射流矢量偏轉(zhuǎn)控制在南京航空航天大學(xué)的低速射流風(fēng)洞中進(jìn)行，見圖1。射流出口尺寸為250 mm×50 mm，實(shí)驗(yàn)中射流出口速度為10 m/s，得射流出口中心湍流度約為3‰。

圖1 二元低速射流風(fēng)洞Fig.1 Two dimensional low speed jet wind tunnel

1.2 合成射流激勵(lì)器

圖2為設(shè)計(jì)的三縫矩形斜出口合成射流激勵(lì)器，腔體尺寸為250×250×80 mm3，射流出口長(zhǎng)度L和寬度H分別為160 mm×5 mm，出口傾角θ為30°，相鄰出口間距S/H=1.6。合成射流工作時(shí)，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，經(jīng)功率放大器后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜進(jìn)行往復(fù)振動(dòng)，在出口處產(chǎn)生合成射流控制流。

圖2 合成射流激勵(lì)器Fig.2 Synthetic jet actuator

1.3 射流矢量偏轉(zhuǎn)控制PIV實(shí)驗(yàn)裝置

合成射流低速射流矢量偏轉(zhuǎn)控制PIV實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 射流矢量偏轉(zhuǎn)控制實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experiment installation of vector deflection control

激勵(lì)器布置在射流風(fēng)洞出口兩側(cè)，為便于PIV流場(chǎng)測(cè)試，其余兩側(cè)采用玻璃進(jìn)行固定和密封。實(shí)驗(yàn)前利用總壓探針移動(dòng)測(cè)得，當(dāng)激勵(lì)器偏角為39°，主射流不受腔體壁板Coanda效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司的PIV測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試精度為2%。并選用了香燃燒產(chǎn)生的煙粒子作為示蹤粒子，煙粒子的濃度和粒徑滿足測(cè)量要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 激勵(lì)器安裝角對(duì)主射流的影響

圖4給出了主射流速度為10 m/s，未施加合成射流控制時(shí)，主射流的尾流速度曲線隨激勵(lì)器安裝偏轉(zhuǎn)角θ的變化特性。

圖4 激勵(lì)器安裝角對(duì)主射流速度分布的影響Fig.4 Influence of actuator installation angle on the velocity distribution of the main jet

從圖中可以看出，當(dāng)安裝角θ為12°時(shí)，由于主射流受腔體壁板Coanda效應(yīng)的影響，射流的速度峰值由無控制時(shí)y/H=0移至y/H=1.0位置，射流偏轉(zhuǎn)角達(dá)到最大。當(dāng)θ為24°時(shí)，主射流的速度峰值移至y/H=0位置，主射流已不受腔體壁板附壁效應(yīng)的影響。此時(shí)利用合成射流來“激發(fā)”誘導(dǎo)主射流剪切層，即可實(shí)現(xiàn)矢量的偏轉(zhuǎn)控制。試驗(yàn)中考慮到要實(shí)現(xiàn)兩側(cè)激勵(lì)器的“開—關(guān)”切換控制，選擇了激勵(lì)器偏轉(zhuǎn)角θ為39°的試驗(yàn)工況。

2.2 激勵(lì)電壓對(duì)主射流矢量控制的影響

圖5給出了下側(cè)合成射流激勵(lì)器控制、主射流速度為10 m/s、頻率f=53 Hz、工作電壓變化時(shí)主射流偏轉(zhuǎn)的渦量圖和速度圖。

合成射流動(dòng)量系數(shù)Cμ的計(jì)算：

其中：vsj為射流平均速度；S為風(fēng)洞出口面積；Ssj為激勵(lì)器出口面積；u(t)為合成射流的瞬時(shí)平均速度；T為振動(dòng)周期；U∞為主射流速度。

(a) 激勵(lì)器關(guān)

(b) Cμ=0.011

(c) Cμ=0.020

(d) Cμ=0.038

(e) Cμ=0.093

由圖5可以看出，當(dāng)Cμ=0.011時(shí)，由于合成射流的射流能量較弱，主射流未發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨Cμ的逐漸增加，主射流逐漸向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)Cμ=0.100時(shí)，從渦量圖和速度圖可看出，此時(shí)主射流已貼附于激勵(lì)器腔體的下壁面。說明在擾動(dòng)頻率固定時(shí)，利用改變工作電壓的方式可以實(shí)現(xiàn)主射流矢量偏轉(zhuǎn)角的比例控制。

2.3 激勵(lì)頻率對(duì)主射流矢量控制的影響

圖6給出了上側(cè)合成射流激勵(lì)器控制，工作電壓U=8 V，利用PIV測(cè)得的頻率變化時(shí)主射流矢量偏轉(zhuǎn)的時(shí)均速度場(chǎng)。

從圖中可看出，在f=55 Hz附近(共振頻率)，主射流的偏轉(zhuǎn)控制效果最為顯著。隨頻率的繼續(xù)增加，控制頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)器的峰值能量區(qū)，合成射流對(duì)主射流的偏轉(zhuǎn)控制效果減弱。當(dāng)f=130 Hz時(shí)，從尾流速度圖可看出，主射流呈現(xiàn)無偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

(a) 激勵(lì)器關(guān) (b) f=35 Hz

(c) f=55 Hz (d) f=70 Hz

(e) f=80 Hz (f) f=130 Hz

2.4 合成射流激勵(lì)器相互切換控制特性

圖7給出了電壓U=8 V，f=53 Hz，激勵(lì)器進(jìn)行切換控制時(shí)，PIV獲取的主射流矢量偏轉(zhuǎn)瞬態(tài)速度場(chǎng)的變化過程。從圖中可以看出，當(dāng)上側(cè)激勵(lì)器工作時(shí)，主射流向上側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨后打開下側(cè)激勵(lì)器并同時(shí)關(guān)閉上側(cè)激勵(lì)器，此時(shí)主射流開始逐漸由上側(cè)向下側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且該過程是連續(xù)可控的。

(a) Case1 (b) Case2

(c) Case3 (d) Case4

(e) Case5 (f) Case6

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于合成射流主動(dòng)控制技術(shù)的低速射流矢量控制試驗(yàn)裝置，初步實(shí)現(xiàn)了合成射流對(duì)宏觀低速主射流的矢量偏轉(zhuǎn)切換控制。結(jié)果表明：

1) 在主射流未形成Coanda效應(yīng)時(shí)，利用合成射流非定常擾動(dòng)來“激發(fā)”誘導(dǎo)主射流剪切層，可以實(shí)現(xiàn)主射流的矢量偏轉(zhuǎn)控制。

2) PIV時(shí)均流場(chǎng)表明，主射流偏轉(zhuǎn)控制隨電壓的增加逐漸增強(qiáng)，通過改變電壓的方法可實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的比例控制。頻率對(duì)主射流的偏轉(zhuǎn)控制影響較大，在共振頻率下主射流的偏轉(zhuǎn)角最為顯著。

3) PIV瞬態(tài)流場(chǎng)表明，通過控制合成射流激勵(lì)器的“開-關(guān)”切換控制，可以實(shí)現(xiàn)主射流的矢量偏轉(zhuǎn)切換控制，且該過程是連續(xù)可控的。

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