基于主动流动控制的射流矢量偏转技术

本文介绍了一种基于主动流动控制技术的射流矢量偏转新方法和控制思路。通过在主射流出口两侧加装斜置扩张固壁板来降低射流两侧与固壁边界间的流体压力,将射流偏转由"不敏感-难控"转变成"敏感-易控",再在固壁板布置自行研制的斜出口合成射流激励器对主射流进行比例偏转控制。实验结果表明,射流最大偏转角可达15°。此外还研究了激励位置角度、激励频率、激励电压不同工作参数对射流矢量偏转控制的影响,实现了主射流偏转角的比例控制。当合成射流与主射流动量比为1∶43时,主射流偏转角可达13°,合成射流激励器消耗的能量为1.5W,初步实现了以小的能量消耗获取高的控制效益。     

基于分布式合成双射流的飞行器无舵面三轴姿态控制飞行试验

将自主可控的合成双射流激励器集成于常规布局飞行器中, 进行了三轴无舵面控制飞行试验, 验证了分布式合成双射流对飞行器巡航时的无舵面姿态调控能力. 对合成双射流激励器进行改进, 设计了分布式三轴姿态控制合成双射流激励器, 滚转环量控制激励器分别安装于两侧机翼翼尖处后缘, 射流出口靠近压力面; 偏航反向合成双射流控制激励器分别安装于靠近两侧机翼翼尖20%弦长处, 上、下沿展向均匀布置; 俯仰环量控制激励器安装于V尾下的平尾后缘, 射流出口靠近压力面. 针对巡航速度为30 m/s的飞行器, 进行了三轴姿态控制飞行试验, 结果表明: 分布式合成双射流实现了飞行器巡航时的三轴无舵面姿态操控; 横航向控制存在耦合, 滚转环量控制激励器实现了飞行器的双向滚转操控, 能产生的最大滚转角速度达16.87°/s, 偏航反向合成双射流控制激励器实现了飞行器的双向偏航操控, 能产生的最大偏航角速度达9.09°/s; 俯仰环量控制激励器实现了飞行器的纵向控制, 能产生的最大俯仰角速度达7.68°/s.      

周期性激励控制翼型流动分离研究综述

主动流动控制技术是21世纪最具发展潜力的航空航天技术之一,未来可以作为飞行器设计的一个新自由度.将主动流动控制技术应用于翼型流动分离控制,在基础研究与应用研究方面具有重要意义.鉴于周期性激励的能量效率高、应用方便,本文对周期性激励控制翼型流动分离的研究进行综述, 介绍了评估参数,讨论了激励频率、强度、施加位置和雷诺数的影响.接着介绍了文献中提出的三个值得注意的方面: 一是能量效率评估标准,可以指导对激励器和控制策略的选择; 二是声学激励模态,在高频激励下发现扰动以声波为主, 可能使流动分离恶化;三是阻力异常现象, 在某种条件下发现有激励时形阻大于总阻的情况.最后梳理了下一步研究的重点方向.本文可为采用周期性激励进行流动分离控制提供参考.      

流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

零质量射流技术控制垂直轴风力机流动分离的数值研究

设计了一种斜出口零质量射流激励器并将其应用于垂直轴风力机。对施加零质量射流激励器的直线翼垂直轴风力机进行了数值研究。为适应垂直轴风力机运行工况,提出了一种冲程长度随方位角变化的激励器控制策略,验证其减小激励能耗及改善流场结构的特点;分析了射流孔数量及冲程长度对控制叶片流动分离及提升风力机气动性能的影响规律,并在最佳控制参数下对风力机流场结构进行了分析。结果表明:当激励器布置于叶片后部,最大射流吹气系数为0.0506时,采用该种激励器控制策略下的双射流孔风力机,风能利用系数相比未施加流动控制、定常吹气、定冲程长度最大分别提升21.31%、3.98%、0.06%,且射流孔数越多,提升效果越差。该种流动控制技术可抑制大涡的形成及发展,改善叶片周围流场结构。     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理,完善等离子体激励器数学模型,提升等离子体激励器扰动能力,采用粒子图像测速技术,在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究.实验时,将非对称布局激励器布置在平板模型上,随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内,从而避免环境气流对测试结果的影响.基于激励器诱导流场,分析了激励电压对诱导射流特性的影响,揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构,获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程,计算了卷起涡脱落频率,阐述了卷起涡与启动涡的区别,初步探索了卷起涡的耗散机制.结果表明:(1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性,激励电压是影响射流特性的重要参数.当电压较低时,诱导射流为层流射流;当电压较高时,诱导射流的雷诺数提高,射流剪切层不稳定,层流射流逐渐发展为湍流射流.(2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构;在固定电压下,这些涡结构存在恒定的卷起频率.(3)当激励电压较高时,流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形,引起了流场湍动能增大,从而加速了卷起涡的耗散.研究结果为全面认识激励器射流特性,进一步挖掘激励器卷吸掺混能力,提升激励器控制能力积累基础.     

横向紊动射流的数值与实验研究进展

横向紊动射流作为流体运动的一种重要类型,广泛存在于如: 燃气轮机气膜冷却、锅炉燃烧室等的燃烧控制, V/STOL(垂直或短距离起落)飞机、废气排放的控制等工程实际应用中.由于射流的存在,增加了流场的复杂性,流场中同时存在射流剪切层涡、马蹄形涡系、反向旋涡对和尾迹涡等4种涡系结构,这对流体力学理论研究具有重要意义.长期以来,研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对横向紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理.从数值模拟和实验研究两个方面,比较并分析了国内外横向紊动射流研究的现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同的实验测量方法对横向紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望.      

正弦交流介质阻挡放电等离子体激励器诱导流场研究的进展与展望

正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术,具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点,在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景.针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题,本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展.在诱导流场空间结构方面,发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性,辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制;从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量,发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象,提出了声激励机制;在时空演化过程方面,阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡,最终形成准定常射流的完整演化过程;在演化机制方面,结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制.其次,围绕激励器诱导流场,进一步凝练出下一步研究重点,为突破等离子体流动控制技术瓶颈,打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路,实现工程应用提供支撑.     

功率射流技术的进展

综述了功率射流装置及系统近10来实际应用的进展.核工业和水利工程两大领域提供了最令人注目的例子.在核工业中,已将其成功地用于空调控制和液体泵送.在水利工程中,对各种情形的暴雨雨水控制已形成了小型的射流技术工业.      

ACTIVE SEPARATION CONTROL FOR THE FLYING-WING UAV USING SYNTHETIC JET

以小展弦比飞翼式无人机为对象,开展了基于零质量射流的主动流动控制数值模拟研究. 比较分析了应用零质量射流前后飞翼式无人机纵向气动特性的改善效果,并通过流场特征的分析探讨了流动控制技术产生气动增益的原因. 研究结果表明在模型中等迎角、大迎角范围,零质量射流技术可以显著增加升力系数,最大幅值达25%,并且拓宽了纵向力矩的线性范围. 机理分析表明,零质量射流扰动通过提高模型绕流场的边界层掺混,增强附面层内外的动量输运,使得附面层有足够的能量克服逆压梯度和黏性损耗,从而达到减缓流动分离甚至使分离流再附的目的.     

Physical factors of primary jet vectoring control using synthetic jet actuators

A primary jet vectoring using synthetic jet actuators with different exit con- figurations was investigated,and the main physical factors influencing jet vectoring were analyzed and summarized.The physical factors of the pressure difference,the location and area of the lower pressure region,the component of the synthetic jet momentum and the entrainment ratio of the synthetic jet flow to primary jet flow directly control the vectoring force and the vectoring angle.Three characteristic parameters of the syn- thetic jet contribute to the pressure difference and the area of the lower pressure region Both the extension step and slope angle of the actuator exit have functions of regulating the location of the lower pressure region,the area of the lower pressure region,and the entrainment ratio of the synthetic jet flow to primary jet flow.The slope angle of the actuator exit has additional functions of regulating the component of the synthetic jet momentum.Based upon analyzing the physical factors of jet vectoring control with syn- thetic jets,the source variables of the physical factors were established.A preparatory control model of jet vectoring using synthetic jet actuator was presented,and it has the benefit of explaining the efficiency of jet vectoring using synthetic jet actuator with source variables at different values,and it indicates the optimal actuator is taking full advantage of the regulating function.     

飞翼布局无人机流动分离控制及机理分析

以小展弦比飞翼式无人机为对象,开展了基于零质量射流的主动流动控制数值模拟研究. 比较分析了应用零质量射流前后飞翼式无人机纵向气动特性的改善效果,并通过流场特征的分析探讨了流动控制技术产生气动增益的原因. 研究结果表明在模型中等迎角、大迎角范围,零质量射流技术可以显著增加升力系数,最大幅值达25%,并且拓宽了纵向力矩的线性范围. 机理分析表明,零质量射流扰动通过提高模型绕流场的边界层掺混,增强附面层内外的动量输运,使得附面层有足够的能量克服逆压梯度和黏性损耗,从而达到减缓流动分离甚至使分离流再附的目的.      

进气道等离子体/磁流体流动控制研究进展

为实现高速飞行器的宽速域飞行,如何保证进气道在非设计状态下的性能至关重要。相比于传统被动控制方式,等离子体/磁流体流动控制技术作为新概念主动流动控制技术,由于其具有结构简单,快速响应,并可根据实际飞行条件进行反馈控制等优势,在国内外上得到了广泛关注。本文介绍了等离子体/磁流体在高超/超声速进气道的主要应用方式与等离子体/磁流体建模方法。当进气道处于超临界状态时,等离子体/磁流体流动控制主要通过热阻塞效应产生虚拟型面,从而将激波系推回至唇口,该技术有望在需要短时间流动控制的高马赫数导弹上走向工程应用;由于等离子体/磁流体激励器与壁面平齐安装,对于高超声速飞行条件,相比于粗糙元其对热防护的要求较低,并且通过超声速风洞实验初步证明了通过高频激励对边界层施加扰动的可行性,需要从稳定性理论的角度对其物理机制进行研究。在后续发展中需要进一步创新等离子体产生技术及激励方式,发展等离子体与流的全耦合计算模型等离子体与流的全耦合计算模型与高效算法 ,为指导工程应用提供依据.      

合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究

为研究低速状态合成射流在抑制翼型气流分离和推迟失速方面的控制机理, 开展了NACA0021 翼型失速特性射流控制的风洞试验研究. 通过系统性的模型测力、翼型瞬态流场粒子图像测速和边界层速度测定的对比试验, 深入探索了合成射流各参数对翼型失速特性控制效果的影响规律. 试验结果表明射流偏角在翼型升力和失速迎角控制方面的效果对射流动量系数较为敏感: 当动量系数较大时, 近切向射流的控制效果更好. 射流动量系数为0.033 时, 偏角30°的射流使得翼型升力系数峰值提高23.56%, 失速迎角增大5°; 而动量系数较小时, 偏角较大的射流能够获得最佳控制效果. 射流动量系数为0.0026 时, 法向射流对翼型最大升力系数控制效果最好(提高9.2%).      

Control of an axisymmetric subsonic air jet by plasma actuator

It is known that surface non-thermal plasma actuators have proved their efficiency for aerodynamics flow control. In this study, a dielectric barrier discharge (DBD) is mounted on the diffuser of an axisymmetric turbulent air jet in order to control the flow separation along a 12-degree diffuser bevel. The momentum created by the actuator is applied to separate an air flow naturally attached to the diffuser for air flow velocity up to 40 m s⁻¹. Laser sheet visualizations and LDV measurements are achieved to characterize the unforced and forced air jet. The flow separation, the induced velocity fluctuations, the jet mixing improvement and vectoring are investigated. The main results of this study demonstrate that DBD actuators are suitable to fully detach the air flow along the bevel for a velocity of 20 m s⁻¹ and that a jet vectoring between 13.5° and 5.5° could be achieved for velocity ranging between 20 and 40 m s⁻¹. Considerations about a potential improvement of the jet mixing are also introduced and the laser sheet visualization attests that induced flow perturbations are highly 3D.     

高超声速飞行器反作用控制系统喷流干扰综述

反作用控制系统（reaction control system, RCS）在高超声速飞行器上取得了较为广泛的应用,已成为高超声速飞行器重要的控制手段之一. RCS 工作过程中喷流与来流形成了复杂的干扰流场,使得对RCS的控制能力预测存在困难. 根据RCS 在不同高超声速飞行器上的布局位置及飞行器局部外形特点将RCS 布局方式归纳为4 类,包括小曲率表面喷流、大曲率表面喷流、头部喷流和翼面附近喷流. 对用于模拟各布局方式流动特征的4 种典型模型进行了概述,并对各典型模型喷流干扰问题的研究进展进行了总结. 最后,对今后研究方向提出了一些建议.