熱激勵器用于高速平面剪切流和圓管射流的流動控制機(jī)理研究.pdf

1、主動流動控制技術(shù)已成為提升高速飛行器飛行性能的重要手段之一，其在改善增強(qiáng)流動摻混、降低流動噪聲方面的應(yīng)用成果頗豐。本文采用大渦模擬方法研究了熱激勵器用于高速、高雷諾數(shù)的平面剪切流和圓管自由射流的主動控制機(jī)理；掌握應(yīng)用熱激勵器增強(qiáng)剪切層混合和抑制噪聲的規(guī)律，考察熱激勵器激勵強(qiáng)度、激勵方式和熱激勵器位置的影響。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　?。?）采用大渦模擬方法研究了馬赫1.3剪切流動。通過分析時均流場和瞬時流場的速度、壓力分布

2、和對流動的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)在二維數(shù)值模擬中，隨著流動向下游發(fā)展，壓力勢能轉(zhuǎn)化為渦的動能，同時壓力的波動頻率降低，波動強(qiáng)度增大。利用三維模型分析了剪切層內(nèi)各渦量分量和湍動能的分布特性，發(fā)現(xiàn)剪切層頭部區(qū)域主要以展向渦量為主，形成沿展向連續(xù)的條狀渦結(jié)構(gòu)；剪切層內(nèi)流向渦量的發(fā)展導(dǎo)致了條狀渦結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，是發(fā)夾渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要誘因之一。
　　（2）采用大渦模擬方法研究了不同激勵方式對馬赫1.3自由剪切流動的影響。在二維數(shù)值模擬中，研究了定常激勵

3、幅值和非定常激勵頻率對流動的影響，研究發(fā)現(xiàn)定常激勵的功率越大，壓力波動的主頻越高，而主頻下的幅值卻越低；非定常激勵作用同樣使壓力波動主頻升高，主頻峰值降低；在激勵頻率較低的工況中，出現(xiàn)了頻率更高、幅值更低的多個峰值。在三維剪切流動的模擬中，采用了脈沖式的激勵方式，從激勵幅值、激勵頻率和占空比這三個角度研究了激勵對大渦結(jié)構(gòu)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在激勵作用下，剪切層厚度、平均湍動能和平均渦量值的增長均快于基準(zhǔn)態(tài)，提高激勵幅值能得到更大的速度和壓力

4、波動的峰值；當(dāng)熱激勵器的激勵幅值和占空比足夠大時，其激勵作用對流場的影響會有質(zhì)的改變；從頻譜分析中發(fā)現(xiàn)，盡管激勵頻率遠(yuǎn)低于剪切流動本身的波動頻率，激勵作用還是有效地抑制了剪切流動的高頻波動。
　?。?）采用大渦模擬方法對馬赫1.3二維軸對稱射流和三維圓管射流進(jìn)行了數(shù)值模擬。在二維數(shù)值模擬中，發(fā)現(xiàn)軸線上的壓力波動是由剪切層內(nèi)渦的卷吸作用引起的，其壓力波動頻率較低；而剪切層內(nèi)的壓力波動受渦結(jié)構(gòu)的運(yùn)動和剪切應(yīng)力共同影響，波動頻帶較寬。研

5、究三維射流流場分布特點(diǎn)和射流剪切層內(nèi)的速度波動，發(fā)現(xiàn)流向渦量的產(chǎn)生促進(jìn)了動量在空間的傳遞，促使剪切層增厚，壓力波動范圍增大。
　　（4）采用大渦模擬方法研究了不同激勵模式對馬赫1.3超音速圓管自由射流渦結(jié)構(gòu)的影響，分別采用二維軸對稱和三維模型探究了激勵幅值和激勵頻率的影響，分析了空間上不同激勵模式對三維射流大渦結(jié)構(gòu)的控制機(jī)理。結(jié)果表明：對于軸對稱射流，激勵頻率越高，渦脫落發(fā)生地越早，其生成速度也就越快。在三維射流的數(shù)值模擬中，分析

6、了m=+-1模式和m=+-4模式下的近場流場和遠(yuǎn)場聲場的特征。熱激勵器形成的高溫流體區(qū)域?qū)ο掠瘟鲃赢a(chǎn)生了類似“物理突起”的效果，在其附近形成的高渦量區(qū)域加速了射流剪切層的發(fā)展，增強(qiáng)了射流摻混；采用 Q判據(jù)得到射流大渦結(jié)構(gòu)的分布，發(fā)現(xiàn)激勵作用能產(chǎn)生更大的徑向速度和周向速度波動，促進(jìn)發(fā)卡渦的形成；不同激勵模式形成了不同的大渦結(jié)構(gòu)和氣動噪聲頻譜分布，超音速射流的氣動噪聲頻帶很寬，激勵作用在一定程度上改變了噪聲頻譜特性，有效地抑制了氣動噪聲的高