不同喷流对激波/边界层干扰控制特性对比

采用数值模拟的方法对比研究了定常、方波脉冲、正弦脉冲这3种喷流对Ma=2流动激波/边界层干扰的控制效果, 分析了不同喷流方式对受控流动流场结构、压力分布的影响. 结果表明, 不同喷流方式都能够实现对受控流动的有效控制, 可以增大激波距离, 减弱激波强度, 减小激波发生器壁面压力. 在控制效果方面, 定常喷流效果最佳, 方波脉冲喷流效果次之, 但定常喷流所需要的质量流量也最大, 方波脉冲质量流量次之. 3种喷流的控制效果与所需质量流量的关系表明, 控制收益的增加随着质量流率的增大而减小.      

水平动量注入型等离子体合成射流激励器工作特性

等离子体合成射流控制技术因其具有不需要外部气源、工作频带宽、射流速度高、射流净质量通量为零、低功耗、激励器形式多样、环境适应性强等特点,成为了目前针对高速流场主动流动控制技术中应用潜能大、有望实现实际工程应用突破的流动控制装置.传统的等离子体激励器的出口多为垂直于流向或与流向成一定夹角,故垂直于流向的动量分量会对激励器的流动控制能力产生影响.为增强流向动量注入能力,拟设计一种新型的水平动量注入型等离子体合成射流激励器.主要内容有:采用外部电路电参数测量与高速纹影技术,对激励器常压下单周期工作特性与重频工作特性进行了初步研究.对水平动量注入型等离子体合成射流激励器的射流结构进行了分析,探究了该激励器工作频率对射流流场的流场特性与控制能力的影响.最后在高速纹影测量的基础上,开展了激励器高频工作时均出口动压的研究.实验表明:水平动量注入型激励器单周期射流初始速度达到220 m/s,单周期激波初始速度达到477 m/s.此外,工作频率对于激励器的影响主要体现在对激励器控制范围的影响,当激励器工作频率增高时,在相同位置时激励器的动压输入能力下降.      

两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究

采用放电测量和高速阴影技术对两电极等离子体合成射流激励器工作特性进行了系统实验研究.实验表明:激励器工作击穿电压和放电峰值电流随激励器所处环境压强的降低和放电频率的增大而减小,激励器腔体内的放电过程为火花电弧放电.典型的等离子体合成射流流场包含有一道前驱激波和一股呈蘑菇状的高速射流.在整个射流发展过程中,前驱激波以当地声速恒速传播,不随激励器条件的改变而变化,波的强度则随着激励器出口直径的减小、腔体体积的增大、环境压强的降低和放电频率的升高而减小.激励器腔体体积和放电频率的增加会降低腔内气体的加热效果,并减小射流速度.激励器出口直径和环境压强对射流速度的影响按规律变化且存在最佳值.本文实各验条件下激励器都产生了明显的前驱激波和高速射流,具有实现高速流场主动流动控制的应用潜能.     

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.     

转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响

为研究转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响,文章选取了二维与三维高超声速双斜面进气道模型与大钝头着陆器模型,并使用γ-Re_θ转捩模型开展数值模拟研究.研究表明,对于二维进气道模型,随着前缘钝度的增加,激波边界层干扰位置前移,分离区变大,与层流流动情况相比,有转捩流动发生时,激波边界层干扰位置后移,同时分离流动强度变弱,分离区缩小;对于三维进气道模型,其拐角附近的分离流动呈现明显的三维特征,转捩流动也存在三维流动结构,与静风洞状态相比,噪音风洞状态下,有转捩流动发生,对壁面热流影响较大,对激波系影响很小.对于着陆器模型,底部流动发生转捩,使得底部流动由不稳定非定常的流动结构变为稳定定常的流动结构,这有益于姿态控制设计.      

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型,对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明：扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点(virtual conical origin, VCO)的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。     

纳秒脉冲等离子体合成射流激励器的流场特性分析

采用一台高重频、快上升沿纳秒脉冲电源作为激励源,对典型的双电极合成射流激励器进行放电,通过粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）测量放电实验中激励器稳定流场特性以及发展速度.分析实验结果发现,随着重复频率的提高,合成射流的平均发展速度也随之增大,1 kHz时的平均速度最高达到28.28 m/s,并在单脉冲能量远低于微秒脉冲的情况下,实现了更快的稳态流场控制,表明高重复频率下,更多次数的脉冲放电可提高激励总能量,有效地弥补纳秒脉冲单脉冲输出能量不足的缺点.而且频率越高,流场发展速度越快,说明高重频工作模式会对输出总能量有补偿作用.      

三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究,分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明:三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段,表现出典型的欠阻尼放电特征;等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值,当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时,"前驱激波"以当地声速（约345 m/s）恒速传播,否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播,且与射流速度呈现相同的变化趋势,即随着放电电容和出口直径的增加而增大,随着腔体体积的增加而减小.      

边界层效应影响等离子体气动激励诱导激波机理

针对小型暂冲式超声速风洞进行的诱导激波实验结果,提出等离子体气动激励诱导激波的机理不仅取决于放电时产生的焦耳热效应,放电区域的边界层厚度也起到了决定性的作用的推论。为进一步验证此思想,在高超声速激波风洞进行了等离子体气动激励诱导激波的实验研究。结果表明,在边界层很薄的情况下,等离子体气动激励能够诱导出斜激波。分别阐述了两种实验条件下诱导激波的机理,证实了边界层效应在等离子体与激波相互作用中起到了决定性作用。     

边界层效应影响等离子体气动激励诱导激波机理

 针对小型暂冲式超声速风洞进行的诱导激波实验结果,提出等离子体气动激励诱导激波的机理不仅取决于放电时产生的焦耳热效应,放电区域的边界层厚度也起到了决定性的作用的推论。为进一步验证此思想,在高超声速激波风洞进行了等离子体气动激励诱导激波的实验研究。结果表明,在边界层很薄的情况下,等离子体气动激励能够诱导出斜激波。分别阐述了两种实验条件下诱导激波的机理,证实了边界层效应在等离子体与激波相互作用中起到了决定性作用。     

Effects of single synthetic jet on turbulent boundary layer

The turbulent boundary layer (TBL) is actively controlled by the synthetic jet generated from a circular hole. According to the datasets of velocity fields acquired by a time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) system, the average drag reduction rate of 6.2% in the downstream direction of the hole is obtained with control. The results of phase averaging show that the synthetic jet generates one vortex pair each period and the consequent vortex evolves into hairpin vortex in the environment with free-stream, while the reverse vortex decays rapidly. From the statistical average, it can be found that a low-speed streak is generated downstream. Induced by the two vortex legs, the fluid under them converges to the middle. The drag reduction effect produced by the synthetic jet is local, and it reaches a maximum value at x⁺=400, where the drag reduction rate reaches about 12.2%. After the extraction of coherent structure from the spatial two-point correlation analysis, it can be seen that the synthetic jet suppresses the streamwise scale and wall-normal scale of the large scale coherent structure, and slightly weakens the spanwise motion to achieve the effect of drag reduction.     

Experimental investigation on drag reduction in a turbulent boundary layer with a submerged synthetic jet

This work investigates the active control of a fully developed turbulent boundary layer by a submerged synthetic jet actuator.The impacts of the control are explored by measuring the streamwise velocities using particle image velocimetry,and reduction of the skin-friction drag is observed in a certain range downstream of the orifice.The coherent structure is defined and extracted using a spatial two-point correlation function,and it is found that the synthetic jet can efficiently reduce the streamwise scale of the coherent structure.Proper orthogonal decomposition analysis reveals that large-scale turbulent kinetic energy is significantly attenuated with the introduction of a synthetic jet.The conditional averaging results show that the induction effect of the prograde vortex on the low-speed fluid in a large-scale fluctuation velocity field is deadened,thereby suppressing the bursting process near the wall.     

基于等离子体气动激励的斜劈诱导激波控制

基于弧光等离子体气动激励,采用不同的放电通道间距、放电通道数、放电直流输入电压、斜劈劈角、有无磁场作用等激励条件,实验研究了在超音速来流条件下(马赫数为2.2)斜激波位置、角度、强度的变化规律。结果表明:施加等离子体气动激励后,激波的起始位置平均前移1～8 mm,激波角平均减小4%～8%,激波强度平均减弱8%～26%。这主要是由于等离子体气动激励产生高温高压的表面等离子体层,使边界层分离点逆气流前移,改变了原有激波系结构,使原有的激波位置前移,激波角减小;同时由于局部的高温导致当地音速增大,使得当地马赫数减小,上述两个原因均可导致激波强度减弱。     

基于等离子体气动激励的斜劈诱导激波控制

基于弧光等离子体气动激励,采用不同的放电通道间距、放电通道数、放电直流输入电压、斜劈劈角、有无磁场作用等激励条件,实验研究了在超音速来流条件下（马赫数为2.2）斜激波位置、角度、强度的变化规律。结果表明:施加等离子体气动激励后,激波的起始位置平均前移1~8 mm,激波角平均减小4%~8%,激波强度平均减弱8%~26%。这主要是由于等离子体气动激励产生高温高压的表面等离子体层,使边界层分离点逆气流前移,改变了原有激波系结构,使原有的激波位置前移,激波角减小;同时由于局部的高温导致当地音速增大,使得当地马赫数减小,上述两个原因均可导致激波强度减弱。     

介质阻挡放电等离子体与激波相互作用实验研究

主要针对介质阻挡放电等离子体改变激波系结构展开了实验研究。验证了介质阻挡放电等离子体气动激励能够对边界层施加影响,顺气流放电时能减小激波强度,逆气流放电时能增大激波强度。逆气流放电时,3组电极放电与4组电极放电比较,3组电极放电时压比更高。由于在该实验中放电区域比边界层小得多,介质阻挡放电产生的体积力远小于高速来流条件下的气动力,因此对激波的作用效果十分微弱。     

Numerical analysis of shock wave and supersonic turbulent boundary interaction between adiabatic and cold walls

Direct numerical simulations of shock wave and supersonic turbulent boundary layer interaction in a 24° compression ramp with adiabatic and cold-wall temperatures are conducted. The wall temperature effects on turbulence structures and shock motions are investigated. The results are validated against previous experimental and numerical data. The effects of wall cooling on boundary layer characteristics are analysed. Statistical data show that wall cooling has a significant effect on the logarithmic region of mean velocity profile downstream the interaction region. Moreover, the influence of wall temperature on Reynolds stress anisotropy is mainly limited in the near-wall region and has little change on the outer layer. As the wall temperature decreases, the streamwise coherency of streaks increases. Based on the analysis of instantaneous Lamb vector divergence, the momentum transport between small-scale vortices on cold-wall condition is significantly enhanced. In addition, spectral analysis of wall pressure signals indicates that the location of peak of low-frequency energy shifts toward higher frequencies in cold case. Furthermore, the dynamic mode decomposition results reveal two characteristic modes, namely a low-frequency mode exhibiting the breathing motion of separation bubble and a high-frequency mode associated with the propagation of instability waves above separation bubble. The shape of dynamic modes is not sensitive to wall temperature.