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分离流动激振控制的实验研究
 

原作者:董宇飞 魏中磊

出处:

关键词】分离流动,剪切层,激振,控制

论文摘要】综述了二维后向台阶、翼型以及轴对称钝体等典型分离流动激振控制的实验研究.分析了激振控制分离流动的作用机理,得到了一个具有普适性的最佳激振频率范围.另外,介绍了目前常用的激振手段,并对其发展方向进行了展望.


REVIEW ON EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CONTROL OF SEPARATION FLOW

Dong Yufei{1,2 Wei Zhonglei1
1 State Key Lab for Turbulence Research, Peking University, Beijing100871
2 Institute of Mechanics, CAS, Beijing 100080

  Abstract Experimental investigations of control ofseparation flows of several typical geometry configurations have beenreviewed, such as, 2D backward facing step, airfoil, axisymmetric bluffbody, etc. Mechanism of excitation controlling separation flow wasanalyzed, and a universal dimensionless forcing frequency range of theoptimum excitation was attained.
  In addition, some forcing methods were introduced, andthe prospects to their developments were presented.
  Keywords separation flow, shear layer, excitation, control

  1 引 言
  1948年,Schubauer & Skcramstad[1]研究平板边界层时发现,适当频率和强度的声波可以增强边界层动量交换,改变转捩过程.这是利用激振方法改变流场结构的最早工作之一.当时,这项工作并没有引起人们的重视,在很长一段时间里,激振仅仅被作为研究转捩过程的辅助手段[2,3],并没有形成用其控制流动的思想.
  70年代初期,Brown & Roshko[4]发现二元湍流混合层中存在有大尺度拟序结构.这些大尺度的拟序结构在湍流动量交换和能量交换中起着重要作用.Oster[5]以及Wygnanski[6] 等人在混合层中引入非定常扰动,发现一定的扰动下,混合层大尺度结构更加明显,流动混合增强.Ho C.M.等[7,8]仔细分析了其中的原因,指出,混合作用的增强是激振促进自由剪切层中二维展向涡配对融合的结果.通过对自由剪切层的研究,人们逐渐认识到激振控制湍流运动的潜力,并将其用于分离流动等复杂流动的控制.
  流体从固壁表面分离在许多流动结构中都是不可避免的.尽管分离流动可以提高热量质量的传输以及混合的效率,但由于它的非定常性,往往造成流体机械以及飞行器性能恶化,效率降低.因此,加深对分离流动物理过程的认识,发展分离流动的控制技术,一直是广大科学工作者关注的焦点课题.由此发展起来的非定常激振技术表现出很强的应用潜力.与其它方法相比,激振具有下列特点:(1)着眼于处理湍流结构;(2)利用较少的能量达到控制分离的目的; (3)通过控制分离旋涡的发展改善流体机械性能,提高效率.
  目前,常用的激振控制手段有以下几种:周期性吸吹气[9,10],条带加热[11],机械振动[12 18],声激励[19 31].
  经过科研工作者多年的努力,采用激振手段控制分离流动已成功地运用于许多领域.本文将对几种典型分离流动激振控制的实验研究进行综述,并介绍作者的一些工作.
  
2 典型分离流动激振控制的实验研究
  2.1 二维后向台阶
  Roos首先研究了振动平片对后向台阶分离再附剪切层中大涡结构的影响[12].如图1 所示,振动片安装在分离点附近,其产生的非定常激振(振幅小于上游附面层厚度的1%)可以控制流体的运动.激振作用下,分离再附剪切层的结构发生了改变.剪切层中流体的湍流度大大增强,涡的形成加速,分离泡的再附长度大大减小(约1,2个台阶高).激振对平均速度剖面有副作用,特别是在湍流分离的情况下,激振效果更明显.当激振频率等于剪切层不稳定频率时激振效果最佳,再附长度Xr缩短了1/3左右.激振对层流剪切层和充分发展湍流剪切层有类似的控制效果.但在转捩区,由于层流分离和湍流分离交替发生,两种剪切层不稳定频率不同,所以激振效果较差.

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图1 平片振动控制后向台阶分离流动[12]

  Bhattacharigee等[19]采用声激励手段控制后向台阶分离再附剪切层的演化发展(图2).实验发现,激振明显改变了分离剪切层内涡之间的相互作用.用与离散小涡的通过频率相同的声波与分离涡层共振,可以促进配对过程,增大涡层散布而缩短再附长度.当激振频率St为0.20.4时,分离剪切层的发展演化速度大大加快.该St数频率与自然状态下观察到的平面混合层的频率相近.无量纲最佳激振控制频率在很宽一段Re数范围内不变表明激振机制与流动条件和边界层性质无关.激振状态下,平均速度剖面变化加快,湍流脉动加大,再附长度减小10%.他们估计采用别的激振手段可能使再附区减小得更多.

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图2 声激励控制后向台阶分离流动[10]

  Katz等[32]通过实验证明了湍流分离下可获得与层流分离相同的激振控制效果,否定了激振主要依靠控制转捩过程起作用的看法.
  2.2 翼型
  给定翼型的最大升力受边界层分离的限制.当攻角超出限制时,分离剪切层形成大尺度不稳定尾流,导致升力突然减小,阻力增加.商业飞机一般使用涡发生器控制边界层的分离,涡发生器后面的强流向涡通过增进自由层和边界层之间的混合增加动量和能量的交换.这套装置工作效果很好,但有一个严重的问题,即要受到高阻力的惩罚.为此,许多研究者努力寻找其它有效的方法.
  Collins & Zelenevitz[20,21]最早观察到入射声波可以推迟乃至消除翼型的分离. Ahuja等[22, 23]在此基础上系统研究了采用声激励手段控制机翼湍流分离.研究结果表明,声激励可使机翼表面分离点从距前缘10%的弦长位置推迟到60%,从而导致升力增加,阻力减小.Zaman等人[24]进一步研究了外加声激励与分离流场的相互作用后(Re为4×104~1.4×105),指出:声激励是通过引进速度脉动而不是通过用声压增加裹携起作用的.该结果与Paterka &Richardson[25] 和Blevins[26]的完全一致.实验发现,在很宽的一段低频区内小振幅的激振可以消除层流分离,但在低Re数接近设计攻角的情况下会降低机翼的性能.高频激振可以消除前缘大尺度涡的周期脱落.在后驻点附近采用大振幅的激振可以大大提高升力,但是在大振幅情况下,风洞共振对结果的影响很大.另外,他们发现,外部声激励频率只是与风洞共振频率相关时才起作用,并且为了获得满意的效果需要高声压.因此,外部声激励不适于实际应用.
  为了克服这些工作缺点,Hsiao F等[27]对此进行了改进.采用声从壁面狭缝中入射,即所谓内部声激励方法控制流动分离(图3).他们的模型是NACA633-018翼型,实验雷诺数Re为6.3×103~ 5.0×105.在内部激振作用下,流动混合和动量输运增加,在翼型表面产生了一个大的负压区.这个负压区导致的直接后果是升力增加和尾迹速度亏损减小,气动性能(升/阻比)在很大攻角范围内得到改善.在工作Re数范围内,当激振从自然分离点引入,激振频率锁在剪切层不稳定频率上时,激振效果最佳,气动性能大大改善.最佳激振频率(St)在1.0到3.0之间.它表明内部声激励方法最佳激振频率只依赖剪切层的不稳定频率,与风洞共振频率无关.

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(发布日期:2005/12/27)
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