自耦合射流及其對主射流矢量偏轉(zhuǎn)研究.pdf

1、長期以來，流動控制技術(shù)及其在射流矢量中的應(yīng)用一直是航空領(lǐng)域研究的熱點。上世紀(jì)九十年代出現(xiàn)的自耦合射流技術(shù)及其在主動流控制中的應(yīng)用吸引了眾多研究人員的關(guān)注。本文以實驗為主輔以數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對自耦合射流及其對主射流的矢量偏轉(zhuǎn)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。 本文采用熱線風(fēng)速儀與結(jié)合相位鎖定技術(shù)的PIV粒子影像速度儀，詳細(xì)測量了壓電型自耦合射流及6種出口面積相同但出口形狀各異的活塞型自耦合射流。實驗表明，激勵信號頻率對自耦合射流有很大

2、影響，壓電作動器存在兩個諧振頻率，使得自耦合射流的流速及動量較大，且高階諧振頻率效果更好。對激勵信號波形比較后發(fā)現(xiàn)，相同輸入電壓下方波信號產(chǎn)生的射流最強(qiáng)。與定常二維平面射流相比，時均流場的自耦合射流半寬及擴(kuò)張半角均較大，其穩(wěn)定發(fā)展段的中心線流速沿程衰減速率更快，沿流向方向速度的橫向剖面也具有自?；匦?。為考核出口形狀對自耦合射流性能的影響，研究了面積相同5種長寬比的矩形與圓孔型活塞型自耦合射流。實驗表明，隨著矩形出口縫長寬比的增加，自耦

3、合射流的沖程長度L0與平均出口流速U0逐步下降，這是因為長寬比增加后出口浸潤面積也隨之上升，相應(yīng)的濕周長增長，這使得出口處摩擦力加大。同時射流邊界應(yīng)力也隨長寬比增加而上升，射流在向下游發(fā)展的過程中，為了獲得更穩(wěn)定的流動結(jié)構(gòu)，迅速向圓形截面轉(zhuǎn)變，使得出口渦對很快分裂，渦量也相應(yīng)下降。 考慮到活塞型作動器在一個周期內(nèi)腔體積變化顯著，因此將振動源簡化代以速度進(jìn)口邊界條件方式已不再適合。本文中采用FLUENT軟件的動網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)活塞

4、運動規(guī)律編寫相應(yīng)的自定義函數(shù)，將腔體、出口孔及外場作為單連通域?qū)A孔型自耦合射流進(jìn)行計算。通過與PIV實驗相比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的瞬時速度場，出口平面中心速度及時均流場中心線速度變化規(guī)律與實驗一致，從而確定了數(shù)值模擬的可行性。 對壓電作動器垂直與平行于主射流的兩種空間布局的研究表明，當(dāng)作動器功率一定時，平行布局方式對主射流矢量偏轉(zhuǎn)的效果更好。在本實驗條件下，使速度5.5m/s左右的主射流產(chǎn)生了最大約45度的矢量偏轉(zhuǎn)，這是因為垂直

5、空間布局僅利用自耦合射流的動量，而平行布局方式則充分利用了作動器出口縫附近低壓區(qū)的吸引及渦對在向下游遷移過程中對主射流的卷吸。兩種布局方式的數(shù)值模擬進(jìn)一步揭示了流動的細(xì)節(jié)。垂直布局模擬結(jié)果表明，由于作動器出口平面上的Coanda效應(yīng)與出口處卷吸效應(yīng)相結(jié)合，使主射流向作動器一側(cè)偏轉(zhuǎn)；而平行布局模擬顯示，高差的存在使得駐點進(jìn)一步向下游遷移，作動器出口平面壓力進(jìn)一步下降，從而加強(qiáng)了卷吸作用；如果主射流與作動器之間間距過大時，形成的回流區(qū)會削弱

6、作動器對主射流的卷吸，從而驗證了平行布局方式存在最佳間距。 為進(jìn)一步研究自耦合射流與主射流相互垂直作用的機(jī)理，本文采用功率較大的活塞型自耦合射流垂直作用于主射流，借助PIV相位鎖定技術(shù)，拍攝了自耦合射流與主射流相互作用的瞬時流場結(jié)構(gòu)。實驗發(fā)現(xiàn)，瞬時流場中出現(xiàn)類似于“點源”的區(qū)域，并將流場劃分為受偏轉(zhuǎn)的區(qū)域及未受擾動的區(qū)域。對不同高差及間距的多種空間布局研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主射流流速一定時，存在最佳空間布局使主射流矢量偏轉(zhuǎn)角度最大。由于