多种流动控制技术- 大数跨境

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多种流动控制技术

科学出版社

2017-05-28

导读：流动分离是流体力学中一类非常重要而又复杂的流动现象，普遍存在于航空航天、动力机械等各类实际工程中。图1 壁面

流动分离是流体力学中一类非常重要而又复杂的流动现象，普遍存在于航空航天、动力机械等各类实际工程中。

图1 壁面边界层流动分离示意

如图1所示，当流体绕钝体或曲面流动且未发生分离时，边界层外的流动可视为势流。而在边界层内，由于S₂点之前沿流动方向压强逐渐减小（压强梯度为负，顺压梯度），因此作用在流体质点上的压力合力方向与流动方向一致，并与边界层内黏性阻滞作用相反。当流体流过S₂点后，压强逐渐增大（压强梯度为正，逆压梯度），作用在流体质点上的压力合力方向与流动方向相反，在逆压梯度与黏性阻力的双重作用下，边界层内的流动在S3点开始发生分离，此时靠近壁面的流体实际上变为回流或逆流，流场中出现大尺度不规则旋涡，旋涡中流体的机械能一部分耗散并转化为热能，因此分离点下游的压强近似等于分离点处的压强。边界层在分离后，不断地卷起旋涡并流向下游形成尾迹，尾迹一般在流体下游会延伸一段距离。

在许多动力机械中，流体从固壁表面分离是不可避免的。尽管分离流动可以提高热量和质量的传输以及混合效率，但由于其固有的非定常性，往往造成大量的能量损耗。流动分离不仅会引起飞行器的阻力增大、升力减小，导致回流甚至失速，还会降低动力机械的运行效率，使动力机械产生振动并危害机组安全运行。例如，在轴流压缩机中，绕流叶栅的流动发生分离会使压缩机进入旋转失速和喘振等不稳定的破坏性工况，导致压比和效率急剧下降，振动增加，甚至造成重大事故。因此，加深对分离流动物理过程的认识，发展分离流动控制技术，一直是学术界和工程界关注的焦点。

进行流动控制的目的包括延迟/加速转捩、抑制/加强湍流、阻止/促进分离等，从而减小阻力、增加升力、加强掺混、加强热传导并抑制流动引起的噪声，具有广泛的工程应用前景。进行流动控制还可以在很大程度上提高动力机械的性能。例如，在透平机械叶片表面进行流动控制可以延迟流动分离，提高压比和质量流量；在机翼表面进行控制可以使流动状态从层流转捩为湍流，降低流动阻力；而对火箭发动机进行流动控制则可以增大掺混程度，提高燃烧效率及比冲，使发动机的小型化成为可能，同时可以大大提高火箭及导弹的机动性、经济性，增大射程和载荷，提高能源利用率。

流动控制技术按控制方式分为被动控制与主动控制。被动控制是没有辅助能量消耗的流动控制。这种控制技术通过改变流动边界条件、压强梯度等达到控制流动的目的，主要采用调节优化几何型面来实现（如在物体表面使用固体涡旋发生器、在分离点上游物体表面加工一系列横向或纵向沟槽、在物体表面布置粗糙单元等方法来减少或抑制流动分离）。这种控制是事先确定的，当实际情况偏离设计状态时，控制效果有可能达不到最佳设计状态。

主动控制是将辅助能量引入流动的控制。采用这种控制方法时，需要在流动环境中直接注入合适的扰动，使之与系统内的流动相互作用达到控制目的。主动控制方法包括表面运动、连续或间断吸吹以及以激光、电子束、等离子体等为载体输入能量的方法。流动分离的主、被动控制方法各有优缺点，被动控制的优点在于结构简单，无需额外添加装置或系统，但是变工况性能较差，不能根据主流工况的变化进行相应的调整，而且会增大流动阻力。主动控制的优势在于具有良好的变工况性能，可以根据工况的变化改变自身结构或流动参数，从而达到最优的控制效果，但是主动控制方法往往需要添加额外的装置或系统，从而增加了系统本身的复杂性。

基于涡旋射流的主动流动控制技术

Wallis在20世纪50年代提出了采用涡旋射流来抑制和延迟湍流边界层分离的方法，他利用设置在固体壁面上与流动方向形成一定夹角的射流孔向主流中喷射流体，使其生成离散的纵向涡，从而对边界层分离和流动失速进行控制。近年来，随着计算机技术、现代流动测试技术的迅速发展，对涡旋射流控制方法及其应用的研究越来越广泛。目前，相关研究和应用主要集中在扩压器、透平叶片和机翼的流动分离控制。

涡旋射流（vortex generator jets，VGJs）能够在湍流边界层中产生较高强度的纵向涡，在逆压梯度环境下，这种纵向涡能够抑制或消除湍流区域的流动分离，其对边界层的控制作用受到射流方向、射流速度比、射流孔形状、射流管布置等多个参数的共同影响，大部分关于涡旋射流对流动分离控制效果的研究都围绕这几方面展开。

基于合成射流的主动流动控制技术

合成射流（synthetic jet）又称零质量射流，是一种采用流体激励器进行流场主动控制的全新技术。由于工质来源于主流流体，无需外部供应流体，因此控制结构比较简单，所需能量极小。Ingard等在1950年就已利用声波使管内空气产生振动，进而在圆管两端的小孔得到一系列涡环结构，但直到1993年，Wiltse等的研究才使合成射流技术真正成为一种主动流动控制技术，其后该技术迅速成为相关研究的热点。国内，明晓等在20世纪80年代末也开始研究零质量射流各种现象的形成机理，并将其应用于流动分离的主动控制。

合成射流激励器（synthetic jet actuator，SJA）是采用合成射流进行流动控制时的关键部件，主要由激励器腔体和振动薄膜两部分组成。其结构形式是在激励器的一端开有小孔或细缝，在另一端安装有振动薄膜。振动薄膜包括压电材料和金属薄膜，主要作用是将电信号转化为薄膜的振动特性，将电能转换为薄膜的动能，然后带动激励器空腔中的流体振动，产生吹、吸作用，每个周期的质量流量为零。图2为典型的合成射流激励器结构图。

图2 合成射流激励器结构示意图

流动分离的被动控制技术

流动分离的被动控制技术主要通过改变流动环境，如边界条件、压强梯度等来实现控制流动的目的。常用的被动控制技术包括使用固体涡旋发生器、在物体表面加工凸台、球窝、沟槽及粗糙单元体等。被动控制技术的优点是结构简单，无需添加额外的能量消耗装置或系统；缺点是变工况性能较差，并且通常会增大流动阻力。

国内外研究人员采用了多种被动方法对透平叶片和翼型表面的流动分离进行控制，并且发展出多种新型控制技术以实现更有效的流动控制。

振荡扑翼的流场结构控制

除了传统的主动和被动流动控制方式以外，还可以通过使控制结构按照特定规律运动，从而达到预期的流场结构及控制气动特性的目的。例如，鸟类、鱼类、鲸和海豚等生物通过控制翅膀或鳍的振荡来产生气动升力及推力，实现飞行或游动。受此启发，多位学者进行了仿生扑翼飞行器（flapping-wingMAV）的开发（图3）。