超聲速氣流中激波/邊界層干擾微射流控制研究進展

徐 浩，杜兆波，鐘翔宇，黃 偉

(國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073)

0 引 言

激波/邊界層干擾(SBLWI)是超聲速飛行器中較為普遍存在的一種耦合現(xiàn)象。超聲速飛行器表面或者內流場存在物面角度急劇變化時，高速來流會被迫劇烈壓縮，產生激波，由于粘性效應在壁面生成的邊界層和激波相遇，便會發(fā)生二者相互作用的現(xiàn)象，即激波/邊界層干擾現(xiàn)象。其典型示意如圖1所示。

圖1 激波/邊界層相互作用示意圖[2]

激波/邊界層干擾使得飛行器內外流場發(fā)生畸變、 氣流的粘性耗散增加，引起巨大的能量損失。另外，激波/邊界層干擾所帶來的流動分離會使飛行器的阻力增加、 機翼發(fā)生顫振，嚴重時可導致飛行器失速，造成嚴重后果。在進氣道中，激波/邊界層干擾使得有效進氣面積減小，嚴重時將導致進氣道不起動，干擾進氣道的正常工作。因此探尋對激波/邊界層干擾進行有效控制的方法是十分必要的。

由于超聲速飛行器在實際工作時流場中的激波/邊界層干擾現(xiàn)象難以避免，故而對激波/邊界層干擾現(xiàn)象進行控制的方法應運而生，這些方法統(tǒng)稱為流動控制技術。根據流動控制方法是否使得非目標流場和目標流場發(fā)生任何質量、 能量的交換，將現(xiàn)有的控制手段分為被動流動控制和主動流動控制兩大類。被動控制方法包括壁面鼓包、 渦流發(fā)生器、 邊界層抽吸等，這類控制方法只能在設計工況下發(fā)揮出較優(yōu)異的性能，在飛行器偏離設計工況的情況下，被動控制方法往往會使飛行器的性能下降。主動流動控制方法可根據飛行器所處實際工況進行適當的調整，適應性更強，可顯著提高飛行器性能。當前研究較廣泛的主動流動控制方法包括等離子體流動控制、 磁流體流動控制、 微射流流動控制等。其中，微射流控制方法，也被稱為微射流渦流發(fā)生器控制方法, 是當前研究激波/邊界層干擾控制的熱點。微射流控制方法中的微射流孔徑通常在1 mm以內，可有效減少應力集中，并且可根據實際情況選擇打開或者關閉，關閉時可避免附加阻力的影響，保證飛行器的氣動性能。目前通過數值模擬已經驗證了微射流陣列在超聲速混壓式進氣道中對激波/邊界層干擾進行控制的有效性。微射流控制激波/邊界層干擾的相關實驗也已廣泛開展，在低壓渦輪葉片實驗中，微射流陣列對邊界層分離控制的有效性已經得到了驗證。因此, 本文總結了近年來微射流流動控制方法在激波/邊界層控制方面的研究進展，以期為相關研究提供參考。

微射流渦流發(fā)生器通過射流與來流相互作用，產生不穩(wěn)定的流向旋轉渦對，將靠近邊界層的高能流與邊界層內的低能流摻混，提高了邊界層內流體抵抗逆壓梯度的能力，減少了分離。同時，微射流在來流作用下產生弓形激波，可有效減弱下游分離激波的強度。微射流渦流發(fā)生器的這些特點使得其在超聲速飛行器的內外流流動控制中具有廣泛的適用性。

多年來，學者們對微射流渦流發(fā)生器控制激波/邊界層干擾進行了廣泛的數值模擬和實驗研究。根據實際研究中微射流控制范圍廣度的不同以及微射流在流場中的形態(tài)是否可變，可將微射流控制方法分為單孔微射流控制和多孔微射流陣列控制兩大類。

1 單孔微射流流動控制研究進展

關于單孔微射流渦流發(fā)生器對激波/邊界層干擾現(xiàn)象控制的研究較少，且主要集中在對射流噴注壓比、 射流速度等影響因素的研究。

薛大文等基于大渦模擬的方法，選擇了高階TCD/WENO混合格式，設定來流馬赫數為2.5，對加裝激波發(fā)生器的平板進行了激波/邊界層干擾控制的模擬。結果表明，微射流的引入可將總壓恢復系數提升至94.5%，比無控情況提高了8.7%。圖2為有、 無控制下對稱面上的密度等高線圖。微射流產生馬蹄渦、 入射激波、 剪切渦等結構，這些結構相互作用，致使激波向下壓縮尾流，各渦流相互作用，產生更多的小渦結構，使得邊界層內低能流動量增加，從而抑制了流動分離。圖3為射流與超聲速來流作用下的尾流渦結構。

圖2 對稱面上的密度等高線圖[25]

2019年，Liu等以來流馬赫數2.9、 壓縮拐角24°為基礎模型，探究了不同噴注總壓下垂直來流方向的微射流渦流發(fā)生器對SWBLI的控制效果。結果表明，微射流作用下，分離激波強度減弱，微射流與來流耦合形成正、 反向旋轉渦對，將高能流注入到邊界層內，增強了邊界層抵抗逆壓梯度的能力。研究表明，射流總壓與來流總壓比值為0.6的情況下，拐角分離區(qū)的面積被減少了將近70%，激波強度被削弱了近12%，激波交匯點和壁面的距離縮短了近37%。圖4為微射流渦流發(fā)生器作用下產生的流向渦對結構。

圖3 超聲速來流與射流作用下的尾流渦結構[25]

圖4 微射流渦流發(fā)生器作用下產生的流向渦對結構[26]

Pour等的研究表明，使用直徑為1 mm的圓孔微射流，提高微射流的速度可以使渦流強度顯著增加，渦流的總耗散處于距離微射流更遠的位置，較低射流速度下，主要渦流在離微射流很近的位置形成，形成過程不易觀察。圖5為渦流耗散與速度等值線圖。

一方面，關于單孔微射流控制激波/邊界層干擾的機理性研究尚不夠深入，另一方面，單孔微射流的研究集中在數值模擬方面，如何有效地開展相關實驗值得思考。

2 微射流陣列流動控制研究進展

單個微射流渦流發(fā)生器在流場控制中只能控制某一特定區(qū)域的流動，要想在流場中產生平行或者聚集的形態(tài)，擴大微射流渦流發(fā)生器的控制范圍, 就必須增加微射流渦流發(fā)生器的個數，達到多個或者多排微射流渦流發(fā)生器聯(lián)合產生更多流向渦流以獲得控制流場的更優(yōu)效果。針對影響微射流陣列控制激波/邊界層干擾效果的各種因素，學者進行了廣泛的研究，主要集中在微射流孔型、 孔徑、 微射流與來流總壓比、 微射流間距、 微射流傾斜角與俯仰角等方面。

圖5 渦流耗散與速度等值線圖[27]

2.1 孔型影響

Huang等的研究表明，對于延展向對齊排列的三個矩形微射流陣列，較大的縱橫比有利于射流近流場的混合，減少射流上游產生的回流區(qū)大小，射流與來流的壓比和射流孔間距都對流場的混合有所影響。Scialabba也進行了關于微射流孔型對激波/邊界層干擾控制的相關實驗研究，微射流孔型主要包括橢圓型、 三角形、 不同縱橫比的矩形等，射流孔型如圖6所示。結果顯示，尖角面向來流且為30°的三角形微射流陣列減小了下游的分離區(qū)面積，同時非圓形射流孔增加了流場的復雜性。

圖6 非圓形微射流孔示意圖[30]

當前，微射流孔型對激波/邊界層干擾控制效果的研究相對較少，不同孔型的控制優(yōu)劣尚有待挖掘。

2.2 孔徑影響

Szwaba對單排微射流陣列進行了實驗研究，其實驗結果表明，微射流孔徑和邊界層厚度的比值應匹配適當，以達到對分離區(qū)域的最佳控制效果。隨后，Szwaba重點研究了相同注入壓比情況下微射流直徑對激波/邊界層干擾引起的邊界層分離區(qū)域的控制效果。結果表明，射流的引入，增強了高能流與邊界層內近壁面低能流的摻混，減小了位移厚度、 邊界層厚度和分離區(qū)大小，減弱了分離趨勢，微射流陣列作用下，分離區(qū)的面積減少了60%。同時表明，在相同條件下，較大直徑的微射流陣列對邊界層內低能流速度的增加更有利，較小直徑的微射流陣列更有利于增加分離區(qū)的穩(wěn)定性，使激波的振蕩和強度顯著降低。

綜合分析，小尺寸的微射流孔在激波/邊界層干擾控制方面更具優(yōu)勢。

2.3 射流與來流總壓比影響

Souverein等采用實驗方法(微射流孔直徑為0.8 mm，射流間距為9 mm)探究了延展向排列的連續(xù)微射流陣列于上游噴射對激波/湍流邊界層作用的影響。結果表明，微射流陣列對激波/邊界層相互作用的影響，表現(xiàn)在對平均速度剖面以及積分參數的修改，每個與展向呈45°傾角的微射流孔都會產生一對反向旋轉渦對，遠離壁面的渦流強度要大于靠近壁面的渦流強度，且二者的旋轉速率均較小，對邊界層的擾動有限。微射流陣列的引入可有效減小分離區(qū)的大小，但不能完全抑制分離區(qū)的產生。圖7為微射流陣列產生的渦流角速度等值面與縱向速度等值線圖。

圖7 角速度等值面與縱向速度等值線圖示[33]

Ali等采用裝有48個間隔為1.7 mm、 孔直徑為0.4 mm的單排微射流陣列，對拐角為24°的壓縮拐角進行了來流馬赫數為2的實驗研究，對斜坡在激波/邊界層干擾作用下產生的分離進行了波動壓力測量和流油可視化。實驗裝置如圖8所示。

圖8 斜坡微射流陣列實驗裝置[34]

結果表明，微射流陣列在超聲速橫流中產生斜激波，斜激波強度隨微射流總壓力與來流滯止壓力比值的增大而增強，致使分離激波前的馬赫數降低，從而使分離激波減弱。微射流陣列控制下，分離激波下游壁面平均壓力最多減少了7%，斜坡壁面平均壓力最多減少了25%，同時，分離區(qū)的壁壓波動顯著減少，間歇區(qū)域面積也顯著減少，達40%以上。實驗壓力譜表明，上游壁面和斜坡的穩(wěn)定性顯著增強。圖9為不同射流壓比下微射流陣列控制效果紋影圖。

圖9 不同壓比下微射流陣列控制效果紋影圖[34]

同年，Kumar等在超聲速橫流中運行高動量穩(wěn)定微射流陣列(射流孔直徑為0.4 mm)產生了單道和多道斜激波。圖10為多排微射流陣列及激波示意圖。多排微射流作用下，可根據微射流總壓與來流滯止壓力比值使微射流陣列產生的斜激波呈平行或者聚集的形態(tài)，多道斜激波可依次使來流減速，有效緩解強壓縮下的不穩(wěn)定。圖11為微射流陣列不同壓比下產生的集束激波實驗紋影圖。作為激波強度量度的激波角隨著微射流總壓與來流總壓的比率()的增加而增加。微射流作用下產生的大量渦流，增強了混合能力。Gerdroodbary等的研究也得到了相同的結果。

圖10 微射流陣列及激波示意圖[28]

Ramaswamy等對單排微射流陣列的研究表明，微射流與來流總壓比過小, 引起的射流與射流之間的相互作用較弱; 射流與來流總壓比過大, 引起的較大射流阻塞作用會導致控制效果的減弱。因此, 必須選取合適的微射流與來流總壓比, 才能獲得最佳的激波/邊界層控制效果。圖12為不同微射流與來流總壓比下的流油可視化，虛線表示微射流陣列誘導的激波。另外，在較低的射流壓力下，將兩排微射流陣列以鋸齒狀的形式排列, 可提高控制效果。

圖11 雙微射流陣列產生的集束激波實驗紋影圖[28]

圖12 不同微射流與來流壓比下的流油可視化[37]

合理的射流與來流總壓比有利于增強對激波/邊界層干擾現(xiàn)象的控制效果。另外，通過調節(jié)射流與來流總壓比，改變射流產生的斜激波形態(tài)，可滿足不同條件下的研究需求。

2.4 射流間距影響

Gerdroodbary等的研究表明，微射流陣列中射流孔間距與射流下游的混合效果密切相關。射流間距的縮小使得微射流陣列的控制效果傾向于單孔射流，隨著間距的增大，射流所處的空間自由度增大，單個微射流在流向上的發(fā)展更加自然，可以產生更多的反向旋轉渦對(CVP)。該研究對微射流陣列射流間距的相關控制方法研究具有一定的參考價值。

Ali等對不同間距微射流陣列的研究表明，微射流注入主流后，會形成一對流向反向旋轉渦對(CVP)。展向間距較大的微射流陣列，旋轉渦對存在相干性，并表現(xiàn)出與單個射流相似的三維特性。隨著射流孔間距的減小，這種三維特性逐漸向二維特性轉變，CVP的強度逐漸減弱。研究認為，較大間距的微射流陣列適合需要更大渦量的場景，如超聲速燃燒室； 較小間距的微射流陣列更傾向于提供更加均勻的壓縮氣流。微射流陣列在來流作用下產生的激波角與射流壓力呈線性變化，不同微射流陣列產生的激波角與動量系數成比例。Chidambaranathan等的研究表明，隨著微射流展向間距的減小，微射流之間存在相互作用，使得控制效果惡化。

Ramaswamy等通過實驗研究了沿展向傾斜45°的單排圓孔微射流間距對流動分離的控制效果。結果表明，射流的注入引起分離氣泡產生強烈的波紋，提高了分離區(qū)抵抗逆壓梯度的能力，射流孔間距與邊界層厚度呈一定比例時的控制效果最好。射流產生的流向渦流在沿微射流孔中心線方向對分離區(qū)的控制效果要優(yōu)于對兩射流間分離區(qū)的控制效果。圖13為沿微射流孔中心線和微射流間兩跨度位置流速圖，白色虛線為零速度等高線。在文獻[37]中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，微射流間距的改變導致射流間的相互作用關系發(fā)生變化，改變了射流產生的弓形激波的強度，同時影響到射流產生的流向渦流。隨著射流間距的增加，激波引起分離區(qū)的面積先增加后減少，如圖14所示。在文獻[44]研究中發(fā)現(xiàn)，微射流產生的渦流強烈地改變了激波/邊界層干擾區(qū)域的平均流動組織結構，將接近二維的分離線轉變?yōu)椴y分離線，射流孔間距為0.76倍邊界層厚度時的控制流動分離效果最好，微射流的注入會產生高剪切應力，增強了湍流混合度。圖15為基線情況下和微射流不同展向位置的雷諾剪切應力分布，紅色虛線表示零速度輪廓。隨后，Ramaswamy等采用相同布局的微射流陣列對不同角度壓縮拐角產生的分離區(qū)的控制效果進行了研究，表明相同微射流陣列對更大拐角角度下的分離區(qū)的控制效果更佳。

圖13 微射流陣列不同位置流速圖[43]

圖14 不同射流間距與無微射流陣列控制下的流油可視化[37]

圖15 基線情況下和微射流不同展向位置的雷諾剪切應力分布[44]

Huang的研究表明，對于沿流向對齊排列的三個圓形微射流陣列，射流孔之間的間距控制在足夠短的情況下，微射流陣列在來流作用產生的激波強度最強，微射流的穿透深度最大，另外，射流所產生的分離區(qū)隨著射流間距的增大而增大。

Pour 等對雙孔微射流渦流的相互作用情況進行了研究。結果表明，改變射流孔徑與射流孔間距的比值和兩孔射流方向，可使雙孔微射流產生的兩個渦流以合并、 相互強干擾、 相互弱干擾的情況影響流場。射流間距小且兩孔同向的情況下，兩個渦流合并，渦流強度顯著增強，對流動的影響更大，消散的時間更長。射流間距小且兩孔反向的情況下，兩個渦流旋轉方向相反且對稱，兩股渦流先靠近后遠離，存在相互干擾的渦流之間的速度變化劇烈。射流間距大且兩孔同向的情況下，兩個渦流相互干擾較弱，但是二者的長程差有所差異。

Gahlot等對包含了2個、 4個或5個微射流孔的陣列進行了進氣道內流場控制的數值仿真研究，微射流陣列被安置在壓縮斜坡表面的特定位置。在微射流注入壓力保持恒定的情況下，三種射流方案下的總壓恢復系數均有所提高，其中包含了4個微射流孔的陣列對混壓式進氣道的流場改善效果最好。這與射流孔之間的間距關系密切，研究認為，只有射流孔間距和射流壓力相匹配的情況下，單排微射流陣列對流場中的激波引起的分離控制效果才能達到最優(yōu)。圖16為微射流陣列對進氣道斜坡表面的影響圖示。另外，適當組合微射流陣列射流孔的數量和射流壓力，可以提升混壓式進氣道在不同工況下的性能。

圖16 微射流陣列對進氣道斜坡表面的影響[50]

通過改變微射流孔間距，微射流陣列所產生渦流的形態(tài)發(fā)生變化，使得射流形態(tài)表現(xiàn)出二維、 三維特性，可實現(xiàn)對激波/邊界層干擾控制效果的動態(tài)調節(jié)。

2.5 射流傾斜角與俯仰角影響

Chidambaranathan等使用了22°激波發(fā)生器，在來流馬赫數為3.5的條件下，基于傾斜角、 俯仰角的變化研究了單排微射流陣列對邊界層分離的控制效果。發(fā)現(xiàn)微射流陣列在傾斜角為180°、 俯仰角為45°時，微射流陣列控制分離的效果最好。圖17為微射流陣列傾斜角和俯仰角示意圖。

圖17 微射流陣列傾斜角α和俯仰角β示意圖[51]

Verma等針對微射流陣列在激波/邊界層干擾控制方面做了系列研究，結果顯示射流傾斜角、 俯仰角以及射流孔間距對邊界層分離區(qū)大小以及分離區(qū)范圍內激波不穩(wěn)定程度的控制效果緊密相關。隨著俯仰角的增大，微射流前的弓形激波強度隨之增大，射流與射流間距過小(間距為微射流孔徑3.6倍時)會導致射流與射流間的相互作用加大，不利于減小分離區(qū)的大小。

綜合分析，大傾斜角下的微射流陣列對分離區(qū)的控制效果更加明顯，合理搭配射流傾斜角、 俯仰角以及射流孔間距，可有效增強對分離區(qū)的控制效果，同時使得射流壓力在低于自由來流總壓的情況下也能有效地執(zhí)行，降低對能量的需求。

3 總結與展望

本文對激波/邊界層干擾現(xiàn)象和相關控制方法進行了回顧，重點梳理了近年來微射流流動控制方法在激波/邊界層干擾方面的研究進展，包括單孔微射流以及微射流陣列對激波/邊界層干擾進行控制的相關研究進展，對影響微射流控制激波/邊界層干擾效果的相關因素進行了細致分析。

綜合分析研究人員在微射流控制激波/邊界層干擾方面進行的實驗和數值模擬研究，可以得到如下結論：

(1) 目前對單孔微射流的設計參數優(yōu)化的研究較少，不同設計參數下的單孔微射流對激波/邊界層干擾的控制機理尚有待挖掘。

(2) 關于單孔微射流控制激波/邊界層干擾的研究主要集中在數值模擬方面，實驗研究較少，未來可重點考慮如何合理有效地開展相關實驗。

(3) 相對于平行射流，對集束情況下微射流陣列的研究也是一個重要方向，對相關微射流陣列在流場中的控制效果有待進一步研究。

(4) 目前，無論是單孔微射流還是微射流陣列，對于高馬赫數下的激波/邊界層的控制效果研究較為匱乏，未來可在此方面進行深入研究。