自耦合射流及其对主射流矢量偏转研究

论文摘要

长期以来,流动控制技术及其在射流矢量中的应用一直是航空领域研究的热点。上世纪九十年代出现的自耦合射流技术及其在主动流控制中的应用吸引了众多研究人员的关注。本文以实验为主辅以数值模拟相结合的方式,对自耦合射流及其对主射流的矢量偏转进行了较为细致的研究。本文采用热线风速仪与结合相位锁定技术的PIV粒子影像速度仪,详细测量了压电型自耦合射流及6种出口面积相同但出口形状各异的活塞型自耦合射流。实验表明,激励信号频率对自耦合射流有很大影响,压电作动器存在两个谐振频率,使得自耦合射流的流速及动量较大,且高阶谐振频率效果更好。对激励信号波形比较后发现,相同输入电压下方波信号产生的射流最强。与定常二维平面射流相比,时均流场的自耦合射流半宽及扩张半角均较大,其稳定发展段的中心线流速沿程衰减速率更快,沿流向方向速度的横向剖面也具有自模化特性。为考核出口形状对自耦合射流性能的影响,研究了面积相同5种长宽比的矩形与圆孔型活塞型自耦合射流。实验表明,随着矩形出口缝长宽比的增加,自耦合射流的冲程长度L0与平均出口流速U0逐步下降,这是因为长宽比增加后出口浸润面积也随之上升,相应的湿周长增长,这使得出口处摩擦力加大。同时射流边界应力也随长宽比增加而上升,射流在向下游发展的过程中,为了获得更稳定的流动结构,迅速向圆形截面转变,使得出口涡对很快分裂,涡量也相应下降。考虑到活塞型作动器在一个周期内腔体积变化显著,因此将振动源简化代以速度进口边界条件方式已不再适合。本文中采用FLUENT软件的动网格技术,根据活塞运动规律编写相应的自定义函数,将腔体、出口孔及外场作为单连通域对圆孔型自耦合射流进行计算。通过与PIV实验相比较,发现数值模拟的瞬时速度场,出口平面中心速度及时均流场中心线速度变化规律与实验一致,从而确定了数值模拟的可行性。对压电作动器垂直与平行于主射流的两种空间布局的研究表明,当作动器功率一定时,平行布局方式对主射流矢量偏转的效果更好。在本实验条件下,使速度5.5m/s左右的主射流产生了最大约45度的矢量偏转,这是因为垂直空间布局仅利用自耦合射流的动量,而平行布局方式则充分利用了作动器出口缝附近低压区的吸引及涡对在向下游迁移过程中对主射流的卷吸。两种布局方式的数值模拟进一步揭示了流动的细节。垂直布局模拟结果表明,由于作动器出口平面上的Coanda效应与出口处卷吸效应相结合,使主射流向作动器一侧偏转;而平行布局模拟显示,高差的存在使得驻点进一步向下游迁移,作动器出口平面压力进一步下降,从而加强了卷吸作用;如果主射流与作动器之间间距过大时,形成的回流区会削弱作动器对主射流的卷吸,从而验证了平行布局方式存在最佳间距。为进一步研究自耦合射流与主射流相互垂直作用的机理,本文采用功率较大的活塞型自耦合射流垂直作用于主射流,借助PIV相位锁定技术,拍摄了自耦合射流与主射流相互作用的瞬时流场结构。实验发现,瞬时流场中出现类似于“点源”的区域,并将流场划分为受偏转的区域及未受扰动的区域。对不同高差及间距的多种空间布局研究发现,当主射流流速一定时,存在最佳空间布局使主射流矢量偏转角度最大。由于仅喷射半周期内形成的自耦合射流能对主射流产生有效矢量偏转,使得时均流场呈两侧速度高,中间速度低的结构,且低速区呈三角形。随着主射流流速的增大,时均流场中三角形区域最终消失。在多种空间布局实验的基础上,论文对自耦合射流与主射流的动量进行了比较分析,发现当自耦合射流的动量与主射流动量在同一数量级时才能使主射流产生较为明显的矢量偏转。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 流动控制技术简介
• 1.2 自耦合射流研究回顾
• 1.2.1 自耦合射流的形成
• 1.2.2 自耦合射流作动器
• 1.2.3 自耦合射流流场特征及影响因素
• 1.2.4 自耦合射流在射流矢量控制中的应用
• 1.3 存在问题及潜在研究方向
• 1.3.1 自耦合射流作动器设计
• 1.3.2 自耦合射流流场的研究
• 1.3.3 射流矢量研究
• 1.4 国内研究情况概括
• 1.5 本文的研究工作
• 第二章 热线及 PIV测量原理、实验系统及实验方案
• 2.1 热线风速仪测量原理
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 热线工作模式
• 2.1.3 热线的校准
• 2.2 PIV 测量原理
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 测量原理及系统组成
• 2.3 热线与PIV 的比较
• 2.4 自耦合射流及其对主射流矢量偏转的实验系统
• 2.4.1 测量仪器概述
• 2.4.2 测量方案
• 第三章 压电作动器及其对主射流矢量偏转实验分析
• 3.1 压电作动器性能测量
• 3.1.1 信号波形、电压及频率的影响
• 3.1.2 PIV 测量结果分析
• 3.2 单缝压电作动器垂直主射流测量结果分析
• 3.2.1 作动器垂直作用主射流下游
• 3.2.2 作动器嵌入喷管垂直作用于主流
• 3.3 单缝压电作动器平行主射流测量结果分析
• 3.3.1 改变间距d 及高差s
• 3.3.2 改变激励信号频率
• 3.4 小结
• 第四章 压电作动器及主射流矢量偏转数值模拟
• 4.1 压电作动器数值模拟
• 4.1.1 压电作动器运动模型
• 4.1.2 网格划分
• 4.1.3 边界条件及求解方式
• 4.1.4 计算结果分析
• 4.2 压电作动器垂直布局数值模拟
• 4.2.1 初始条件
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.3 压电作动器平行布局数值模拟
• 4.3.1 初始条件
• 4.3.2 计算结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 活塞作动器性能测量及垂直射流矢量偏转
• 5.1 活塞作动器性能测量
• 5.1.1 作动器出口附近流场特征
• 5.1.2 频率f、板厚d 及长宽比AR 对流场的影响
• 5.2 频率F=30HZ 时圆孔型自耦合射流数值模拟
• 5.2.1 网络及边界条件设定
• 5.2.2 计算结果分析及与PIV 实验结果比较
• 5.3 活塞型自耦合射流垂直作用于主流
• 5.3.1 作动器对主射流影响的瞬时流场
• cl=15m/s，瞬时偏转效果'>5.3.2 主射流速度U_cl=15m/s，瞬时偏转效果
• 5.3.3 间距W=3mm 保持不变，主射流流速增加的影响
• 5.3.4 时均流场分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的研究结论
• 6.1.1 压电型自耦合射流流动特性
• 6.1.2 压电型自耦合射流进行射流矢量偏转
• 6.1.3 压电型自耦合射流数值模拟
• 6.1.4 不同出口型活塞型自耦合射流演变特性
• 6.1.5 活塞型自耦合射流进行射流矢量偏转
• 6.2 创新点总结
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间科研成果统计
• 附录