自耦合射流及其對主射流矢量偏轉研究.pdf

1、長期以來，流動控制技術及其在射流矢量中的應用一直是航空領域研究的熱點。上世紀九十年代出現(xiàn)的自耦合射流技術及其在主動流控制中的應用吸引了眾多研究人員的關注。本文以實驗為主輔以數(shù)值模擬相結合的方式，對自耦合射流及其對主射流的矢量偏轉進行了較為細致的研究。 本文采用熱線風速儀與結合相位鎖定技術的PIV粒子影像速度儀，詳細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生的射流最強。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?；匦浴榭己顺隹谛螤顚ψ择詈仙淞餍阅艿挠绊?，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，相應的濕周長增長，這使得出口處摩擦力加大。同時射流邊界應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)定的流動結構，迅速向圓形截面轉變，使得出口渦對很快分裂，渦量也相應下降。 考慮到活塞型作動器在一個周期內腔體積變化顯著，因此將振動源簡化代以速度進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，根據(jù)活塞

4、運動規(guī)律編寫相應的自定義函數(shù)，將腔體、出口孔及外場作為單連通域對圓孔型自耦合射流進行計算。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，當作動器功率一定時，平行布局方式對主射流矢量偏轉的效果更好。在本實驗條件下，使速度5.5m/s左右的主射流產生了最大約45度的矢量偏轉，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)值模擬進一步揭示了流動的細節(jié)。垂直布局模擬結果表明，由于作動器出口平面上的Coanda效應與出口處卷吸效應相結合，使主射流向作動器一側偏轉；而平行布局模擬顯示，高差的存在使得駐點進一步向下游遷移，作動器出口平面壓力進一步下降，從而加強了卷吸作用；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。 為進一步研究自耦合射流與主射流相互垂直作用的機理，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，拍攝了自耦合射流與主射流相互作用的瞬時流場結構。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)，當主射流流速一定時，存在最佳空間布局使主射流矢量偏轉角度最大。由于