合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstrOnauticaSinicaFeb．252016VoI．37No．2545—554ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb(罾buaa．edu．cn合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究李斌斌1’*，姚勇1，姜裕标2，黄勇2，顾蕴松3，程克明31．西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳6210102．中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，绵阳6210003．南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题，代表

2、着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响，如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究，综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段，获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明：利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25％，合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强，提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明，频率是后台阶分离流动控制的重要参数，当频率为260Hz，扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1．32时

3、，合成射流控制可使位于1／2倍频的剪切层能量增强，仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。关键词：后台阶；合成射流；主动流动控制；再附点长度；湍流流动中图分类号：V211．7文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一0545—10后台阶(Backward—FacingStep)流动是流体力学中一个经典的研究课题，代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题[1。2]。后台阶流场亦称为突张室流场，是典型的边界层分离后再附之流场，由于其结构简单、坚固且流场性质稳定，在航空航天和流体传输等工程领域具有广泛的应用[34]。诸如驻焰器、燃烧室、扩张器、机翼与建筑物等，甚至

4、在电子冷却方面也具有相当广泛的应用。研究后台阶流动的意义不仅因其应用广泛，还在于后台阶流动包含了多种复杂的流动物理现象，如流动的转捩、分离、再附及非定常等流体力学基本现象[5]，具有流体力学研究的理论意义和应用价值¨j。流体绕后台阶的流动会产生流动分离，从而导致一些不利的影响，如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等[7_8]。因此，有必要采取流动控制措施来抑制其分离流动。同时，为了更加深入和更好地利用后台阶流动，对后台阶的流动控制研究也是必不可少的。对后台阶分离流动的控制研究可分为被动控制和主动控制两大类。被动控制是在流场分离区中加入各种形状的扰流片或涡发生器等装置

5、，利用在流场下游形成的流向涡系，提高流场的混合效率，从而降低分离区范围。Park等‘91利用三角收稿日期：2015—01-30；退修日期：2015—05-05；录用日期：2015-07—01；网络出版时间：2015—09—0114：29网络出版地址：wwwcn¨net／kcms／detail／111929V201509011429．010htmI基金项目：空气动力学国家重点实验室基金(JBKYl4010201)*通讯作者Tel．：0816—2461214E．mail：I．binb¨8@163．∞m戮用罄武t李斌斌．姥勇．姜裕标．等．合成射流微扰动对后台酚湍流分离流动控翻的实验研

6、究￡Jj航空学报．2016．37(2)：545—554．u8B·YAoY，J

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13、elDenu由atlon[西．AclaAeronauti∞etAstronauticas}nlca．2016，37(2)：545-554．航空学报Feb．252016Vol37No2形扰流片形成了流向涡系，增加了流场的混合速度，使分离区减小20％以上。被动控制虽然方式简单、可靠、无需能量消耗，但

14、其仅增加了流场部分区域的动量交换，对流场中大多数区域的动量交换反而降低。对后台阶流动的主动控制则是一种积极的控制思想，主动控制是在流场中直接加入合适的扰动模式，以与主流发生耦合，从而达到预期的控制效果。在以往的研究中，吹吸气控制被广泛应用于后台阶的流动控制。陈国定和明晓[1叼对不同吹吸气位置，如台阶竖直壁面、台阶上游和圆角台阶上施加吹吸气控制对后台阶的流动进行了研究，结果表明，上述方法均能有效减小再附点长度，控制再附区附近的摩擦应力分布。Sano等[1¨采用均匀吸气对后台阶阶脚处平行主流和台