流動(dòng)分離與控制

1、流動(dòng)別離與限制姓名：學(xué)號(hào)：授課教師：教授南京航空航天大學(xué)1、通過(guò)理論分析說(shuō)明流動(dòng)別離產(chǎn)生的必要條件試分析二維流動(dòng)分離與三維流動(dòng)別離有何本質(zhì)差異20分產(chǎn)生邊界層別離的必要條件有兩個(gè)：一是物面附近的流動(dòng)區(qū)域中存在逆壓梯度；二是流體的粘性,二者缺一不可.對(duì)于壁面邊界層,如果沿主流方向存在逆壓梯度,在邊界層外的主流能以減少動(dòng)能即減慢速度來(lái)提升壓強(qiáng).但在邊界層內(nèi),流動(dòng)由于受粘性阻滯已經(jīng)失去了局部動(dòng)能,所以在逆壓梯度作用下,假定沿壁面法向壓力梯度為零,那么靠近內(nèi)層的流動(dòng)速度減小的比例要比外層更大,結(jié)果其速度型沿流動(dòng)方向變得越來(lái)越瘦.圖1-1就是表示在逆壓梯度下邊界層速度型變化Separation圖1-1逆

2、壓梯度下二維邊界層開(kāi)展和形成流動(dòng)別離示意圖與此同時(shí),壁面上的摩擦應(yīng)力也隨著逆壓梯度的增加而減少.當(dāng)該壓力梯度足夠大時(shí),鄰近壁面附近的流動(dòng)依靠其動(dòng)能已缺乏以來(lái)提升所需要的壓強(qiáng),這時(shí)就會(huì)形成靠近壁面附近的流體反向流動(dòng)而遠(yuǎn)離壁面的主流仍按原方向流動(dòng)的現(xiàn)象,壁面上出現(xiàn)別離點(diǎn)So在別離點(diǎn)S處,法向速度梯度%y=0,即壁面摩擦壓力%=巴%=0.所以人彳門(mén)將%=0或壁面摩擦力鼠=0作為判斷二維層流別離的準(zhǔn)那么.顯然,別離后的邊界層厚度不再保持薄的狀態(tài).上述討論中可以清楚地看到形成流動(dòng)別離的必要條件是粘性作用和流動(dòng)中有足夠的逆壓梯度.理論上,三維流動(dòng)別離形成的機(jī)理與二維別離相同,都是由于流場(chǎng)中存在逆壓梯度并作

3、用于有粘性阻滯的邊界層造成的.但判斷三維別離的準(zhǔn)那么要比二維復(fù)雜得多.由于在三維邊界層中,假設(shè)在某個(gè)方向上存在逆壓梯度,即使沿該方向的摩擦應(yīng)力為零,由于邊界層內(nèi)的流體還可以沿其它方向流去,這時(shí)邊界層仍然可以保持附著而不別離.所以不能將摩擦應(yīng)力為零的二維別離判據(jù)簡(jiǎn)單地推廣應(yīng)用到三維邊界層中.為此,許多學(xué)者為建立三維流動(dòng)別離判別模式進(jìn)行了廣泛深入的研究2、分析三維流動(dòng)中鞍點(diǎn)形成的原因,并說(shuō)明從鞍點(diǎn)發(fā)出的一條線是三維流動(dòng)別離線的機(jī)理.(20分)答：(1鞍點(diǎn)形成的原因臨界點(diǎn).為了解摩擦力線在臨界點(diǎn)如果物面上某點(diǎn)P(X,y)處的7xw=7yw=0,那么P點(diǎn)就是摩擦力線方程的奇點(diǎn)或是P附近的性狀,可將TX

4、w(x,y)和Tyw(x,y)在P點(diǎn)處按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)且僅取到一次項(xiàng).此外,為不失一般性,可將坐標(biāo)原點(diǎn).移至P點(diǎn),那么摩擦力線方程可簡(jiǎn)化為:dxdt(4三xw=1Idxx+oxwyJyody_叫wx+/ywydt女Jo工yy)o(2.1)其中下標(biāo)“o是指在臨界點(diǎn)處(原點(diǎn))的導(dǎo)數(shù)值.由常微分方程相平面分析理論可知,該方程所確定臨界點(diǎn)附近摩擦力線形狀的類(lèi)型完全取決于它的特征方程根性質(zhì),即取決于特征方向中的系數(shù)p和q：(CT、ywEx4實(shí)際上,導(dǎo)數(shù)p和q是物面上摩擦應(yīng)力向量場(chǎng)中臨界點(diǎn)處的散度和雅可比矩陣.方程2的特征根為：M=pp24q,2,其根的判別式：ppp24qo這樣,在x,y相平面上,由方程2

5、.1所確定的積分曲線族是：tiQc2.5yti-C111e1-C22e2其中,ar%PrP文常數(shù),Ci、C2是任意積分常數(shù).在相平面上這樣確定的積分曲線稱(chēng)為軌線,其指向是沿著參數(shù)t增加的方向.在物面上可能存在不同形式的摩擦應(yīng)力量分布,這樣就可得到不同p和q值.所以由特征方程求的根九i和可正可負(fù),可實(shí)可虛,也可以是復(fù)根或零根,由2.5式所確定的臨界點(diǎn)附近軌線形狀的類(lèi)型可以各不相同,從而形成不同類(lèi)型的臨界點(diǎn).下列圖2-1給出了p-q平面上各類(lèi)臨界點(diǎn)的區(qū)域和邊界圖.可以看到主要的三類(lèi)臨界點(diǎn)幾乎當(dāng)q0時(shí),由特征根表達(dá)形式可知,其特征根是符號(hào)相反的兩個(gè)實(shí)根,設(shè)Ki0,應(yīng),它的軌線方程：xt=C-Q1tC

6、2：2e2tyt=6：代C2為e2t這類(lèi)臨界點(diǎn)稱(chēng)為鞍點(diǎn).其中C1和C2是任意的積分常數(shù)由關(guān)系式鞍點(diǎn)發(fā)出的一條線是三維流動(dòng)別離線的機(jī)理:圖2-2鞍點(diǎn)附近的摩擦力線12om2h二nw)111、2一、或h=C(2.7)niw)其中,c=j2um是常量,h是流線離開(kāi)物面的距離.由上式可以看到,在三維流動(dòng)中,使流線很快離開(kāi)物面即很快變大的影響因素有兩個(gè)：一是當(dāng)流線接近于w=0點(diǎn)時(shí),即接近于別離點(diǎn)時(shí),流線會(huì)迅速離開(kāi)物面,這就是孤立三維別離奇點(diǎn)處的流動(dòng)別離狀態(tài).另一個(gè)是當(dāng)摩擦力線的距離n無(wú)限減小時(shí),其上方的流線也將很快地離開(kāi)物面.由于S1S2是由鞍點(diǎn)發(fā)出的一條摩擦力線,根據(jù)前面討論鞍點(diǎn)附近摩擦力線特性已清楚

7、S1S2應(yīng)是其余所有摩擦力線的漸近線,也就是說(shuō),A1A2和B1B2都將無(wú)限逼近S1S2,所以A2B2間的距離n將無(wú)限減少.這樣使原來(lái)十分接近物面的流線A1A2和B1B2,在逼進(jìn)S1S2摩擦力線時(shí)很快地離開(kāi)物面.這就形成了由鞍點(diǎn)發(fā)出的一條摩擦力線S1S2附近的流線會(huì)很快離開(kāi)物面的三維流動(dòng)別離現(xiàn)象.Lighthill稱(chēng)由鞍點(diǎn)發(fā)出的一條摩擦力線S1S2為三維別離線.由此看來(lái),在Lighthill三維別離模式中,三維別離線本身就是一條摩擦力線,其鄰近的所有其它摩擦力線都以此漸近.3、試應(yīng)用紊流間歇性Interm讓tency特點(diǎn)分析光滑平面二維紊流別離的物理過(guò)程,并嘗試采用S-P相似理論確定二維紊流別離

8、點(diǎn).20分在一個(gè)光滑流線型外表上,紊流邊界層別離并不是一件突發(fā)事件,而是在一個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)開(kāi)展的過(guò)程.別離過(guò)程中,近壁處有很強(qiáng)的間歇式回流,可用出現(xiàn)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)來(lái)描述.間歇性回流是由于三維流動(dòng)瞬時(shí)造成的,它的出現(xiàn)和消失根本上是隨機(jī)的,具大小、增長(zhǎng)速率以及展向位置都很難預(yù)測(cè).平面條紋流場(chǎng)顯示試驗(yàn)說(shuō)明,別離區(qū)內(nèi)多個(gè)別離條紋迅速而連續(xù)地改變形狀.當(dāng)別離過(guò)程向下游開(kāi)展時(shí),回流的時(shí)間和量不斷地增加,流動(dòng)逐漸演變成三維紊流流場(chǎng).根據(jù)S-P外層速度虧損律對(duì)整個(gè)邊界層進(jìn)行積分可得方程*12uUi=0.47UsUy.、.-UsUi11Hd=1-0.58Us.Ui其中Hd代表在零U線上積分得到的形狀因子.上述方程說(shuō)明

9、形狀因子Hd僅是速度比Us/U1的單值函數(shù),意味著如果紊流別離存在相似結(jié)果,就應(yīng)該在同一速度比下別離.因此要得到別離點(diǎn)處的形狀因子,關(guān)鍵要得到紊流別離時(shí)的速度比Us/U,Simpson采用激光測(cè)速儀LDV對(duì)別離點(diǎn)附近流體進(jìn)行精確測(cè)量,得到順流率*=0.5處,速度比Us/U1=1.20比05,可得別離點(diǎn)通用形狀因子Hd=3.3.眾多學(xué)者對(duì)流動(dòng)別離點(diǎn)開(kāi)展過(guò)大量的試驗(yàn),圖3-3中的曲線來(lái)自不同研究人員分離流動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),盡管有一些分散,但根本上支持速度比Us/U1=1.2,這個(gè)通用別離點(diǎn)假設(shè),而再附點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度比略高一點(diǎn),這個(gè)從圖3-2中壁面摩擦應(yīng)力可以得到解釋.因此該別離準(zhǔn)那么具有一定的可信度.圖3

10、-1順流率和速度比曲線圖3-2壁面摩擦應(yīng)力分布圖3-3別離點(diǎn)和再附點(diǎn)形狀因子4、分析物面曲率6/R0.01對(duì)邊界層流動(dòng)狀態(tài)及別離的影響,試分析別離后的邊界層流動(dòng)狀態(tài)如何20分物面曲率HR0.01屬于低曲率,Deutsch和Zierke在低曲率外表試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)曲率對(duì)別離影響很少,h與6*/6的路徑同平板零曲率的變化關(guān)系是一樣的.理論上,沿流向曲率對(duì)動(dòng)量方程的影響相對(duì)較小,甚至可以忽略,但在法線方向上曲率的影響是很大的.沿流向零壓力梯度下,如果在紊流和非紊流交界面附近,自由流線具有凸曲率運(yùn)動(dòng)流線,在離心力作用下,紊流進(jìn)入邊界層的流體將會(huì)減少.這是由于大渦在法向壓力梯度作用下變得扁平,以致渦上噴到

11、自由流中時(shí)將遇到逆壓梯度,從而抑制了自由流進(jìn)入邊界層的水平.外部自由流卷入減少導(dǎo)致邊界層紊流摻混水平下降,邊界層有更小的雷諾應(yīng)力、更低的相關(guān)速度和更少的紊流擴(kuò)散.對(duì)于凹曲壁,離心力作用使得邊界層經(jīng)受壓力梯度,其結(jié)果與上面正好相反,邊界層有更多的外來(lái)自由流進(jìn)入、更多的紊流摻渦和更大的紊流剪切應(yīng)力.當(dāng)逆壓梯度出現(xiàn)時(shí),外部自由流流線不可能象曲壁一樣彎曲.因此同零壓力梯度相比,曲壁對(duì)外部自由流卷入的影響相對(duì)弱一些.試驗(yàn)說(shuō)明強(qiáng)壓力梯度下,凸曲壁將減少外部自由流卷入,引起邊界層在上游更遠(yuǎn)的地方就出現(xiàn)別離.Schubaur和Klebanof對(duì)壁面曲率從d/R=0.01到d/R=0.024接近邊界層別離點(diǎn)為止

12、試驗(yàn)研究,結(jié)果說(shuō)明曲率對(duì)別離點(diǎn)上游平均速度剖面影響很小.實(shí)際上,他們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都落在Schofield-Rerry平板得的試驗(yàn)結(jié)果中,服從強(qiáng)壓力梯度下速度剖面相似關(guān)系.Stratford做過(guò)“零摩擦力試驗(yàn),采用了短凸和長(zhǎng)凹兩種曲面,得到的結(jié)果與Schofield-Perry相同.Wadcock曾利用熱線在NACA4412機(jī)翼凸曲面有上做了關(guān)于別離流的試驗(yàn),從別離點(diǎn)上游曲率d/R=0.01到后緣點(diǎn)d/R=0.05,得到了同Sandborn-Kline關(guān)于平板邊界層流動(dòng)別離準(zhǔn)那么：h與d*/d的相似關(guān)系一致的結(jié)果.5、結(jié)合本專(zhuān)業(yè),通過(guò)文獻(xiàn)資料分析給出流動(dòng)別離的特點(diǎn)及對(duì)本專(zhuān)業(yè)流體機(jī)械性能的影響.20

13、分引言作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,壓氣機(jī)設(shè)計(jì)難度最大,流動(dòng)最為復(fù)雜,其結(jié)構(gòu)、重量也占據(jù)了流體機(jī)械整機(jī)的主導(dǎo)地位.壓氣機(jī)中常見(jiàn)的對(duì)性能有嚴(yán)重影響的流動(dòng)現(xiàn)象為葉背別離和角區(qū)別離,該類(lèi)別離現(xiàn)象產(chǎn)生將使壓氣機(jī)流場(chǎng)惡化,造成性能下降.葉背別離通常是在逆壓梯度、彎曲物面等作用下,附面層內(nèi)的流速將會(huì)不斷降低,附面層增厚,直至其其內(nèi)的流體停止不前,繼而反向倒流,流體擠壓使附面層內(nèi)流體離開(kāi)壁面出現(xiàn)別離.葉背別離現(xiàn)象可視為二維別離,一般是非常不穩(wěn)定的,別離位置經(jīng)常變動(dòng),在別離區(qū)附近產(chǎn)生別離泡,其在流向附近的生長(zhǎng)使別離泡內(nèi)部壓力上升且分布均勻,別離泡的失穩(wěn)加劇了別離泡與主流之間的物質(zhì)輸運(yùn)作用,其能量交換導(dǎo)致脫落渦的產(chǎn)

14、生,各漩渦在向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生相互耦合作用,大渦卷吸、合并周?chē)男u,同時(shí)也可能由于周?chē)鬁u吸引及主流影響產(chǎn)生渦的分解和耗散,從而導(dǎo)致流體的不平穩(wěn)流動(dòng),影響壓氣機(jī)作功水平,嚴(yán)重時(shí)甚至引起喘振.角區(qū)別離發(fā)生在葉根處,常形成馬蹄渦,在不同流動(dòng)狀態(tài)下有著不同的馬蹄渦形式.通常有3種非定常的馬蹄渦模態(tài),即繞合模態(tài)、脫落一繞合模態(tài)以及脫落一耗散模態(tài).一定Re數(shù)下主渦脫落后既可能表現(xiàn)為脫落一繞合模態(tài),也可能表現(xiàn)為脫落一耗散模態(tài),這主要取決于模型頭部形狀對(duì)渦軸造成的拉伸以及耗散和擴(kuò)散程度.與葉背別離不同,角區(qū)別離是一種三維漩渦結(jié)構(gòu),具更為復(fù)雜的奇點(diǎn)形態(tài)組合和演化,不僅呈現(xiàn)常規(guī)的內(nèi)螺旋點(diǎn),還呈現(xiàn)外螺旋點(diǎn)、

15、極限環(huán)和多重極限環(huán)等復(fù)雜流態(tài).這使得角區(qū)流動(dòng)中,以漩渦為主體的擬序結(jié)構(gòu)相比二維更為復(fù)雜.為了提升壓氣機(jī)效率,人們提出多種限制方法,用以抑制壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的別離流動(dòng),特別是預(yù)防壓氣機(jī)產(chǎn)生喘振、失速等危險(xiǎn)氣動(dòng)問(wèn)題.本課題組基于壓氣機(jī)在大負(fù)荷下發(fā)生氣流別離的流動(dòng)特征提出了一種無(wú)源引氣微脈沖射流限制的概念,并對(duì)其核心的脈沖射流器進(jìn)行了特性實(shí)驗(yàn)分析.流動(dòng)限制方法簡(jiǎn)要回憶在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),出于便于應(yīng)用的考慮,人們一直將研究的焦點(diǎn)放在被動(dòng)流動(dòng)限制上1-3.被動(dòng)限制的特點(diǎn)是在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中確定對(duì)流場(chǎng)的限制方式,該限制方式不能隨流動(dòng)狀態(tài)的改變而改變,在有些情況下會(huì)產(chǎn)生一些不利的“副作用.而主動(dòng)流動(dòng)限制那么

16、可以在葉輪機(jī)械工作過(guò)程中根據(jù)具體流場(chǎng)情況調(diào)節(jié)限制方案,以改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、使葉輪機(jī)械性能有明顯的改善.主動(dòng)限制手段一般會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大等問(wèn)題,多見(jiàn)于外流問(wèn)題研究,在葉輪機(jī)內(nèi)流領(lǐng)域采用得較少.但是目前技術(shù)的開(kāi)展顯示,單純的被動(dòng)限制已經(jīng)不能滿(mǎn)足新一代壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的需要,有必要開(kāi)展能克服這些問(wèn)題的主動(dòng)限制技術(shù).國(guó)內(nèi)外對(duì)葉輪內(nèi)流主動(dòng)流場(chǎng)限制技術(shù)的研究進(jìn)行了許多工作,其中最為廣泛的是以“吸附式限制和“合成射流限制為代表的主動(dòng)限制方法.“吸附式控制方法來(lái)源于麻省理工學(xué)院提出的吸附式壓氣機(jī)概念4,該類(lèi)方法通過(guò)外接低壓的吸氣源來(lái)吸除別離的低能氣流,延緩氣流別離,提升擴(kuò)散度,從而到達(dá)提升級(jí)壓比的目的.而“合成射

17、流限制那么是采用一個(gè)不需外接氣源即與外界無(wú)質(zhì)量流量的機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的具有一定頻率的非定常射流,在調(diào)整到適宜頻率時(shí),可以依靠明顯小于定常射流的氣流量有效限制氣流別離,其研究主要集中在以外流為代表的流動(dòng)限制領(lǐng)域,且國(guó)內(nèi)外研究者均得到了較為明顯的限制效果5-8.而在葉輪機(jī)械中比擬有代表性的工作有彳惠國(guó)Hecklau和Gmelin9-10等進(jìn)行的脈沖射流抑制壓氣機(jī)氣流別離的實(shí)驗(yàn)研究,該研究通過(guò)分析一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻通道內(nèi)瞬時(shí)流場(chǎng)圖,將非定常脈沖射流的限制機(jī)理理解為由于脈沖射流產(chǎn)生的一對(duì)旋向相反的漩渦與主流別離渦之間的不同作用模式,這是當(dāng)前為數(shù)不多的通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示脈沖射流抑制氣流別離機(jī)理的工作.此外北京

18、航空航天大學(xué)周盛等11-12通過(guò)二維數(shù)值模擬研究將非定常鼓勵(lì)的作用機(jī)理歸結(jié)為合理組織流場(chǎng)中多物體繞流之間的耦合關(guān)系.其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)由于合成射流鼓勵(lì)強(qiáng)度不夠,無(wú)法做到真正的線鼓勵(lì),實(shí)驗(yàn)限制別離的效果比計(jì)算結(jié)果要差較多.無(wú)論是“吸附式限制還是“合成射流限制,在滿(mǎn)足限制效果的根底上,外接裝置的復(fù)雜性和重量等因素限制了其在葉輪機(jī)械中的工程應(yīng)用,因此簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)、減少重量成為了壓氣機(jī)主動(dòng)流場(chǎng)限制的開(kāi)展方向.本課題組基于該理念提出了一種新型無(wú)源引氣微脈沖射流限制的概念：利用葉盆葉背壓差在葉背側(cè)生成脈沖射流,依靠適當(dāng)頻率脈沖射流與別離區(qū)具有特定頻率的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生相干作用,到達(dá)限制氣流別離的目的,最終實(shí)現(xiàn)提升壓氣

19、機(jī)擴(kuò)壓水平的目的.相比于用列葉柵13-14、開(kāi)縫葉片網(wǎng)等定常限制方式,本文提出的無(wú)源脈沖射流技術(shù)開(kāi)縫寬度較小,可通過(guò)更小的能量輸入到達(dá)相同或更佳的限制效果,且可在無(wú)需流場(chǎng)控制狀態(tài)下主動(dòng)關(guān)閉流道以適用更廣的工作范圍,是一種有希望的葉柵流動(dòng)限制方法.新型無(wú)源脈沖射流限制方式簡(jiǎn)介新型無(wú)源脈沖射流限制方式中核心部件為脈沖射流器,該射流器的關(guān)鍵部件是兩個(gè)貼近的縫柵,一個(gè)縫柵固定,另一個(gè)縫柵在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下以一定頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng).通過(guò)兩個(gè)縫柵所開(kāi)縫的對(duì)通或錯(cuò)開(kāi)來(lái)形成通流或節(jié)流的效果,從而利用葉盆葉背之間的壓差在葉背側(cè)生成一定頻率的脈沖射流,如圖1所示.該限制方式基于特定頻率的非定常流場(chǎng)相干作用,僅需不大的葉

20、盆引氣就能實(shí)現(xiàn)別離流的限制,此外無(wú)源脈沖射流器無(wú)需外接氣源,結(jié)構(gòu)上比擬簡(jiǎn)單.本課題組提出的這種新型流動(dòng)限制技術(shù)已獲得了國(guó)家創(chuàng)造專(zhuān)利授權(quán)ZL202110195408.3,在應(yīng)用時(shí)可利用MEMSMicro-ElectronicMechanicalSystem微型機(jī)械電子技術(shù)工藝將體積和重量限制在較小的范圍內(nèi)15.圖1脈沖射流限制方式示意圖基于脈沖射流器工作原理,本試驗(yàn)研究過(guò)程中運(yùn)動(dòng)縫柵采用微型電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng).主體結(jié)構(gòu)包括引氣口、脈沖射流出口、旋轉(zhuǎn)縫柵、微型電機(jī),如圖2所示.其中微型電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)縫柵旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)縫柵縫隙與流道相通時(shí),在引氣口與噴口的壓差驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生氣流噴射；在氣路關(guān)閉時(shí)根本不產(chǎn)生射流.由

21、于微電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào),理論上可實(shí)現(xiàn)脈沖射流頻率的無(wú)級(jí)可調(diào),此外通過(guò)選擇適宜的縫柵條數(shù)及電機(jī)轉(zhuǎn)速,脈沖射流最大頻率可以到達(dá)數(shù)千赫茲.圖2電磁驅(qū)動(dòng)式脈沖射流器示意圖脈沖射流器特性分析非定常鼓勵(lì)信號(hào)的好壞直接影響著非定常限制效果,為了分析非定常限制抑制氣流別離的機(jī)理,鼓勵(lì)頻率需覆蓋非定常別離流主頻.考慮到葉柵通道內(nèi)別離渦主頻從幾百到上千赫茲不等,鼓勵(lì)源氣流狀態(tài)的變化周期在毫秒量級(jí).在如此高頻狀態(tài)下,如何產(chǎn)生強(qiáng)度可觀、頻率可控乃至波形可定制的脈沖射流對(duì)于后續(xù)的非定常限制實(shí)驗(yàn)有著重要的意義.因此首先針對(duì)脈沖射流器特性進(jìn)行了相關(guān)的研究,力求從原理上分析影響射流頻率及波形的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖3脈

22、沖射流特性測(cè)量系統(tǒng)脈沖射流特性測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示,其中葉片葉型參考中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院提供的某壓氣機(jī)靜子葉根截面設(shè)計(jì),葉片弦長(zhǎng)為80mm,葉高為100mm.射流縫出口位置位于弦長(zhǎng)71%處,出口縫寬為0.2mm,射流縫出口與壁面間角度為15.旋轉(zhuǎn)縫柵直徑為4mm,縫寬為0.8mm,轉(zhuǎn)靜子間隙為0.02mm,開(kāi)縫條數(shù)4條,引氣口寬度為2.5mm,保證了柵內(nèi)氣路與引氣氣路在各個(gè)縫柵旋轉(zhuǎn)角度下都處于連通狀態(tài),射流器結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉片安裝方式及測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示.圖4射流器參數(shù)示意圖射流器旋轉(zhuǎn)縫柵轉(zhuǎn)速采用南京航空航天大學(xué)微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究所研制的轉(zhuǎn)速傳感器采集,轉(zhuǎn)速限制通過(guò)脈沖射流限制系統(tǒng)完成.動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量參數(shù)主

23、要包括脈沖射流器出口縫內(nèi)靜壓及出口總壓,其中動(dòng)態(tài)壓力采用昆山雙橋CYG504GL型微型超微壓壓力傳感器測(cè)量.St342943944MbEMtiMFTima/T圖5壓力時(shí)域圖圖5給出了在進(jìn)口穩(wěn)態(tài)壓力1800Pa,旋轉(zhuǎn)縫柵轉(zhuǎn)速9000r/min時(shí)射流器出口縫內(nèi)靜壓及出口總壓時(shí)域圖,文中壓力均采用表壓表示.由圖可知：在旋轉(zhuǎn)縫柵旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中,射流器產(chǎn)生4股明顯的脈沖射流,這一特征在各個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下均存在,說(shuō)明脈沖射流器能產(chǎn)生明顯的脈沖射流且射流頻率無(wú)級(jí)可調(diào)；出口總壓變化與縫內(nèi)靜壓變化規(guī)律根本一致,幅值相對(duì)較小,其影響原因一方面由于氣流在射流器出口縫內(nèi)的流動(dòng)損失導(dǎo)致,另一方面是由于出口測(cè)量探針直徑(0.

24、6mm)大于射流縫出口寬度(0.2mm),實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力與實(shí)際狀態(tài)下射流器出口壓力有一定的差異；縫內(nèi)靜壓及出口總壓均存在負(fù)壓,考慮到試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)口壓力根本保持在1800Pa左右,這一特征在定常射流狀態(tài)下并不存在,該特征的產(chǎn)生來(lái)源于流道的周期性開(kāi)關(guān)過(guò)程.為了進(jìn)一步分析該現(xiàn)象,對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬分析.數(shù)值模擬采用Ansys公司的Fluent二維大渦模擬方法進(jìn)行.計(jì)算域包含整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),總網(wǎng)格數(shù)約為9萬(wàn),其中旋轉(zhuǎn)局部采用Moving-Mesh進(jìn)行模擬,轉(zhuǎn)靜交接面采用Interface進(jìn)行處理,計(jì)算過(guò)程中考慮轉(zhuǎn)靜部件問(wèn)間隙的影響,其中通道壁面及葉片前后緣附近網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行了局部加密,保證近壁面

25、y+M,圖6為模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格局部示意圖.計(jì)算過(guò)程中進(jìn)口壓力及縫柵轉(zhuǎn)速參考實(shí)驗(yàn)條件給定,采用雙時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)間加速推進(jìn)求解,物理時(shí)間步長(zhǎng)為4M10上s,總計(jì)算時(shí)間為20倍脈沖射流周期.圖6模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格局部示意圖(ncrtjicclearuiK產(chǎn)圖7給出了在一個(gè)脈沖射流周期內(nèi)不同時(shí)刻通道內(nèi)靜壓分布圖,當(dāng)縫柵內(nèi)流路與下游流道完全錯(cuò)位時(shí),柵內(nèi)氣流速度根本為零,柵內(nèi)流體總壓與上游進(jìn)口總壓相等,出口縫內(nèi)靜壓與外界大氣壓力根本相同t=0T,T為射流周期.隨著流道面積增加,柵內(nèi)高壓流體在壓差力作用下逐漸向下游流動(dòng),出口縫內(nèi)壓力隨之增加,然而氣流的加速導(dǎo)致靜壓逐漸降低,因此當(dāng)流通面積增加到一定程度時(shí),出口縫內(nèi)

26、靜壓到達(dá)最大值t=0.38T.隨著流道面積的進(jìn)一步增加,縫柵上游氣流流速增加,流路損失增加,柵內(nèi)氣流總靜壓有一定程度的降低t=0.5T.隨著流道面積從最大值逐漸減小,縫柵內(nèi)向下游流動(dòng)的流體逐漸減少,壓力逐漸降低,氣流速度也隨之逐漸降低；當(dāng)流路根本斷開(kāi)時(shí),出口縫內(nèi)流體仍保持向下游流動(dòng),此時(shí)縫內(nèi)流體得不到有效補(bǔ)充,壓力降至大氣壓以下,形成瞬時(shí)局部負(fù)壓區(qū)域；當(dāng)縫內(nèi)流體向下游流動(dòng)速度降至零時(shí),局部負(fù)壓區(qū)壓力到達(dá)最小值t=0.88T,此后外界流體開(kāi)始流入射流縫內(nèi),縫內(nèi)壓力逐漸增加.圖作同時(shí)刻瞬時(shí)壓力場(chǎng)數(shù)值模擬得到的射流縫內(nèi)靜壓及出口總壓變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果根本一致,表明本文采用的大渦模擬方法在把握射流器內(nèi)

27、流動(dòng)的主要特征方面具有一定的準(zhǔn)確度.由于加工誤差的存在,實(shí)際過(guò)程中旋轉(zhuǎn)縫柵4條縫隙兩兩之間的金屬輻條寬度并不完全相同,其中1號(hào)與4號(hào)縫隙之間間距約為2.2mm.該現(xiàn)象導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的4個(gè)壓力波峰波谷值并不完全相同,具變化規(guī)律與旋轉(zhuǎn)縫柵4條縫隙之間的間距分布相吻合.說(shuō)明在同等轉(zhuǎn)速下通過(guò)調(diào)整縫隙之間問(wèn)距可以到達(dá)設(shè)計(jì)射流波形的目的,該現(xiàn)象的存在為后續(xù)脈沖射流波形的定制奠定了根底.值得說(shuō)明的是：隨著射流頻率的增加,射流器出口縫內(nèi)平均壓力根本保持不變,壓力波動(dòng)幅值逐漸增加.仿葉柵通道模型簡(jiǎn)介無(wú)源脈沖射流限制方式針對(duì)的是高負(fù)荷壓氣機(jī)內(nèi)由于大擴(kuò)張導(dǎo)致的葉背側(cè)氣流別離,考慮到直接將該技術(shù)運(yùn)用至壓

28、氣機(jī)或平面葉柵進(jìn)行研究會(huì)面臨實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜性的影響,不利于分析清楚流動(dòng)機(jī)理.為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?本文在抽取葉柵內(nèi)主要流動(dòng)特征的根底上建立了一套仿葉柵通道模型.通過(guò)對(duì)通道內(nèi)別離流動(dòng)進(jìn)行脈沖射流限制,掌握該限制方式的特點(diǎn),理解其抑制氣流別離的機(jī)理,從而為后續(xù)在平面葉柵乃至真實(shí)壓氣機(jī)中的運(yùn)用奠定根底.考慮到仿葉柵通道與葉柵通道在流場(chǎng)細(xì)節(jié)方面存在的差異性,因此后期將開(kāi)展相應(yīng)的葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證無(wú)源脈沖限制技術(shù)的限制效果,具體仿葉柵通道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示.圖8仿葉柵通道結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)及測(cè)量方案試驗(yàn)主體結(jié)構(gòu)由仿葉柵通道、抽氣裝置、脈動(dòng)阻尼器和轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)及限制系統(tǒng)組成,實(shí)驗(yàn)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.1.穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)量參數(shù)包括

29、進(jìn)口靜壓、葉片及出口段外表靜壓和出口總壓分布；動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量參數(shù)包括脈沖射流器出口縫內(nèi)靜壓、葉片外表靜壓及通道內(nèi)壓力分布,其中通道內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力分布通過(guò)移動(dòng)傳感器測(cè)量位置獲得,具體測(cè)點(diǎn)分布如圖9所示,其中7&流向總共13個(gè)測(cè)量位置,L1位置接近于葉片前緣,L7位置靠近尾緣,每個(gè)位置沿徑向測(cè)量17個(gè)點(diǎn),壁面附近局部加密.穩(wěn)態(tài)壓力參數(shù)采用美國(guó)PressureSystem公司的PSI智能壓力掃描儀采集,動(dòng)態(tài)壓力采用昆山雙橋CYG504GL型微型超微壓壓力傳感器測(cè)量.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集時(shí)間均為120s,以減小出口截面氣流壓力波動(dòng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)通道內(nèi)流特性分析脈沖射流限制中射流頻率、位置及強(qiáng)度等參數(shù)

30、均以無(wú)控仿葉柵通道內(nèi)流動(dòng)特性為參考,為了分析脈沖射流對(duì)別離的限制規(guī)律,首先需針對(duì)無(wú)控仿葉柵通道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,掌握通道內(nèi)流動(dòng)的定常及非定常特性,為后續(xù)脈沖射流限制實(shí)驗(yàn)奠定根底.穩(wěn)態(tài)壓力分布測(cè)量分析脈沖射流限制的一個(gè)重要參數(shù)射流位置是相對(duì)別離點(diǎn)位置而言,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的葉片外表及出口段靜壓分布曲線可得通道內(nèi)別離及再附點(diǎn)位置,其中別離點(diǎn)位置位于葉片弦長(zhǎng)60%處,對(duì)應(yīng)的射流縫出口位置位于別離區(qū)內(nèi).圖10給出了動(dòng)態(tài)壓力傳感器所測(cè)壓力平均值在通道內(nèi)的分布,其中通道內(nèi)測(cè)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)流向位置的參考線之間的距離反映了其壓力大小,由于通道內(nèi)部壓力的表壓值均為負(fù)值,因此每個(gè)流向位置對(duì)應(yīng)的壓力曲線均位于參考線前,距

31、離越大那么壓力值越小,其中c表示弦長(zhǎng),P*為測(cè)點(diǎn)壓力,/F0V(2表示進(jìn)口動(dòng)壓頭,P.和V.表示進(jìn)口氣流密度和速度.考慮到試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量方向垂直于葉片指向進(jìn)口方向,因此主流區(qū)內(nèi)所測(cè)壓力信號(hào)大致反映了測(cè)點(diǎn)的總壓大小.圖10通道內(nèi)平均壓力分布由圖可知,隨著氣流沿著葉片向下游流動(dòng),葉片外表附近氣流動(dòng)能一方面轉(zhuǎn)化為壓力能,另一方面受到壁面剪切阻力逐漸被耗散,流速逐漸降低,總壓隨之減小且影響范圍逐漸擴(kuò)展至通道內(nèi)部L1-L4.當(dāng)氣流流至別離點(diǎn)時(shí),葉片外表附近氣流發(fā)生別離,沿壁面法向測(cè)得的壓力曲線在壁面處根本垂直于壁面.其原因是別離區(qū)內(nèi)靜壓沿壁面法向梯度根本為零,沿徑向靜壓根本保持不變,而傳感

32、器所測(cè)壓力信號(hào)在別離區(qū)內(nèi)更為接近于靜壓.當(dāng)壓力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí),說(shuō)明測(cè)點(diǎn)沿法向逐漸移出別離區(qū)域,壓力曲線對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)可以理解為別離區(qū)的邊界線點(diǎn),因此結(jié)合別離點(diǎn)及再附點(diǎn)位置可大致得到通道內(nèi)別離區(qū)的位置及大小L5-L10.隨著通道內(nèi)別離的再附,壁面附近速度在主流區(qū)的影響下逐漸增加,壁面氣流總壓增加,主流區(qū)內(nèi)總壓逐漸降低,總壓型趨于平緩L11-L13.分流區(qū)特定截面上動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的頻譜特性由于葉片別離區(qū)的存在導(dǎo)致通道內(nèi)包含不同尺度和頻率的旋渦,另一方面通道進(jìn)出口、上側(cè)壁面、測(cè)量段也將產(chǎn)生不同形式的干擾信號(hào),如何準(zhǔn)確把握通道內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位的別離渦特性顯得尤為關(guān)鍵.考慮到別離渦在向下游移動(dòng)過(guò)程中沿徑向壓力有著明

33、顯的差異,導(dǎo)致沿徑向不同點(diǎn)壓力波動(dòng)幅值存在差異,因此在通道某一流向位置沿徑向取點(diǎn)做壓力的頻譜分析,如果存在某一頻率的幅值隨著徑向有著明顯的先增大再減小現(xiàn)象,那么可判斷此頻率應(yīng)為通道內(nèi)別離渦主頻I叩電CharuderiikticFrtquency:266HzIo.ftJLoctOniiMj圖11不同徑向位置壓力頻譜圖圖11給出了L9位置不同徑向測(cè)點(diǎn)的壓力頻譜分布圖,其中坐標(biāo)Location中0代表最近壁處測(cè)點(diǎn),1代表最遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn),具體測(cè)點(diǎn)位置參照?qǐng)D9.圖中Y表示測(cè)點(diǎn)與最近壁面測(cè)點(diǎn)之間的徑向間距,L表示最大間距,A表示測(cè)點(diǎn)壓力信號(hào)頻譜分析得到的幅值,Amax表示最大幅值.由圖可知,通道內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力

34、頻譜圖均存在較為明顯的峰值,其對(duì)應(yīng)頻率在266Hz左右.隨著測(cè)點(diǎn)位置逐漸向通道內(nèi)部移動(dòng),峰值越來(lái)越明顯,并在測(cè)點(diǎn)8及測(cè)點(diǎn)9位置到達(dá)最大值.隨著測(cè)點(diǎn)進(jìn)一步向通道內(nèi)移動(dòng),測(cè)點(diǎn)位置逐步遠(yuǎn)離別離渦影響范圍,壓力波動(dòng)幅值減小,峰值逐漸減小.試驗(yàn)過(guò)程中得到了頻率266Hz左右的壓力波動(dòng)幅值隨著徑向存在先增大再減小的現(xiàn)象,因此可以將頻率266Hz當(dāng)作通道內(nèi)別離渦主頻.反映流場(chǎng)非定常特征的重要參數(shù)是斯特勞哈爾數(shù)St=FD/U,其中F為渦脫落頻率,D為特征長(zhǎng)度,U為特征速度,該數(shù)值一般穩(wěn)定在0.17-0.19左右16.考慮到通道非定常效果來(lái)源于流動(dòng)的別離,特征長(zhǎng)度選為別離區(qū)最大徑向尺寸,特征速度選為別離區(qū)最大徑

35、向位置對(duì)應(yīng)的平均氣流速度17.計(jì)算得出的St=0.18,與參考值十分吻合,說(shuō)明斯特勞哈爾數(shù)的特征量選擇符合通道流動(dòng)特征,驗(yàn)證了別離區(qū)大小判斷方式的合理性.別離區(qū)動(dòng)態(tài)壓力分布特性為了分析通道內(nèi)流動(dòng)的非定常特性,引入了標(biāo)準(zhǔn)差6用來(lái)評(píng)估壓力波動(dòng)程度.(Pl-P)2(P2-P)2(PN-P)2/N(1)式中：P為實(shí)驗(yàn)采集的測(cè)點(diǎn)壓力值；p為平均壓力；N為數(shù)據(jù)采集的樣本數(shù)目.標(biāo)準(zhǔn)差越大,壓力波動(dòng)幅值越大,測(cè)點(diǎn)受通道內(nèi)別離渦的影響程度就越大.圖12通道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差分布由圖12所示,靠近葉片前緣區(qū)域L1-L2,徑向標(biāo)準(zhǔn)差最大值點(diǎn)為最靠近壁面測(cè)點(diǎn),主流區(qū)內(nèi)壓力波動(dòng)較小,靠上壁面測(cè)點(diǎn)在上壁面的影響下壓力波動(dòng)較為明顯.

36、隨著氣流向下游流動(dòng),L3-L9位置對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差最大值點(diǎn)沿徑向逐漸向通道內(nèi)部移動(dòng),且幅值逐漸增大,并在L9位置處幅值到達(dá)最大值.隨著氣流繼續(xù)向下移動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)差最大值對(duì)應(yīng)的徑向位置根本保持不變,幅值逐漸減小,標(biāo)準(zhǔn)差分布趨于平緩L10-L13.為了進(jìn)一步分析標(biāo)準(zhǔn)差分布與別離渦之間的關(guān)系,結(jié)合L9位置壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差大小復(fù)原了測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)特征,如圖13所示.口白BEOB1“1皿國(guó)0-W0圖13不同徑向位置壓力波動(dòng)特性從圖中可以看出通道內(nèi)局部位置存在瞬時(shí)最大壓力值大于大氣壓即進(jìn)口總壓的現(xiàn)象,該現(xiàn)象本質(zhì)原因是由于旋渦造成高度的流體動(dòng)能積聚,導(dǎo)致局部位置流體的瞬時(shí)能量大于進(jìn)口平均能量.圖中標(biāo)準(zhǔn)差最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)

37、的平均壓力介于主流及別離區(qū)壓力之間,該點(diǎn)瞬時(shí)最大壓力值接近于徑向瞬時(shí)壓力極大值,考慮到旋渦低壓核心區(qū)內(nèi)中央速度根本為零,核心區(qū)內(nèi)最大瞬時(shí)總壓低于大氣壓,因此徑向壓力波動(dòng)最大值點(diǎn)大致位于別離渦與主流的交接面處,標(biāo)準(zhǔn)差最大值點(diǎn)與壁面之間的徑向距離大致反映了別離渦的尺寸大小.結(jié)合通道內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差分布規(guī)律及標(biāo)準(zhǔn)差與旋渦之間的相互關(guān)系可知：通道內(nèi)旋渦產(chǎn)生于前緣并緊貼葉片外表向下游移動(dòng),并在別離點(diǎn)附近產(chǎn)生明顯的向通道內(nèi)部開(kāi)展壯大的現(xiàn)象,旋渦尺寸到達(dá)最大值后根本保持不變,但渦量逐漸減小,最終在粘性的作用下逐漸被耗散.脈沖射流限制效果分析相比于定常限制方式,非定常限制最為關(guān)鍵的參數(shù)之一是非定常鼓勵(lì)頻率.對(duì)于脈沖射

38、流,在射流位置、角度及強(qiáng)度一定的根底上,本文針對(duì)仿葉柵通道進(jìn)行了射流頻率對(duì)通道總體性能的影響規(guī)律的試驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了頻率從60Hz到600Hz的微脈沖射流對(duì)別離流的限制效果.射流器引氣口直接與大氣相連,射流縫參數(shù)參照脈沖射流器性能實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D14所示.圖14脈沖射流限制系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)圖15給出了射流頻率對(duì)通道出口總壓損失系數(shù)百的影響規(guī)律,其中壽=(p*-p；)/(%F0V02),p;表示進(jìn)口總壓,p；為出口總壓耙所測(cè)壓力平均值,0V(2表示進(jìn)口動(dòng)壓頭.考慮到射流平均動(dòng)量與主流動(dòng)量之比僅為0.3%左右,單純射流的注入導(dǎo)致的通道總壓損失的變化幅度相比于最正確狀態(tài)下限制效果而言相對(duì)圖15出口總

39、壓損失系數(shù)隨射流頻率的變化曲線由圖可知,隨著射流頻率的增加,總壓損失逐漸減小,當(dāng)射流頻率為264Hz時(shí)即接近于通道內(nèi)別離渦主頻時(shí)通道總壓損失最小,總壓損失較無(wú)控流場(chǎng)降低了約5%限制效果最為顯著.隨著射流頻率繼續(xù)增加,通道總壓損失逐步增加,限制效果逐漸減弱.值得說(shuō)明的是,本文引入的無(wú)源脈沖射流限制技術(shù)在射流強(qiáng)度僅為0.3%的狀態(tài)下即得到了較定常射流限制更為顯著的限制效果,通過(guò)更小的能量輸入即可得到更佳的限制效果,在真實(shí)壓氣機(jī)狀態(tài)下將顯著減小由于引氣導(dǎo)致的壓力面流動(dòng)特征及壓氣機(jī)總體性能的變化.為了進(jìn)一步分析射流頻率對(duì)通道總體性能影響規(guī)律的產(chǎn)生機(jī)制,試驗(yàn)在不同射流頻率下分析了L9位置沿徑向不同測(cè)點(diǎn)的

40、動(dòng)態(tài)壓力特性.圖16給出了徑向第7號(hào)測(cè)點(diǎn)在無(wú)控、定常射流限制及不同頻率的脈沖射流限制狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的壓力頻譜圖,測(cè)點(diǎn)位置參照?qǐng)D10.圖16不同狀態(tài)下壓力頻譜圖比照比照分析圖16中5個(gè)狀態(tài)的壓力頻譜圖可知,定常射流狀態(tài)下壓力頻譜圖相比于無(wú)控流場(chǎng)并沒(méi)有明顯的差異,兩者壓力波動(dòng)特性并沒(méi)有本質(zhì)的差異.而隨著脈沖射流的注入,射流頻率對(duì)應(yīng)的頻譜幅值較周?chē)渌l率有著明顯的躍升,且隨著射流頻率的增加,對(duì)應(yīng)的頻譜幅值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),并在射流頻率與通道內(nèi)別離渦主頻一致時(shí)到達(dá)最大值,且對(duì)應(yīng)的幅值-頻率曲線最為陡峭.考慮到頻譜分析FFT變化的頻譜幅值代表了信號(hào)分解對(duì)應(yīng)該頻率的正弦函數(shù)的振幅,在壓力脈動(dòng)強(qiáng)度一定的

41、根底上,幅值越大說(shuō)明壓力信號(hào)更接近于正弦信號(hào),說(shuō)明通道內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位的別離渦導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)的周期性特性更為明顯,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較無(wú)控、定常射流限制及其它脈沖射流頻率狀態(tài)更為有序.值得說(shuō)明的是,頻譜圖中單一頻率對(duì)應(yīng)幅值增加并不意味著占主導(dǎo)地位的別離渦得到了強(qiáng)化,只能說(shuō)明壓力信號(hào)的周期性特性得到了改善,渦系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化只有在一段頻率區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分析才有參考價(jià)值0當(dāng)脈沖射流頻率與通道內(nèi)主導(dǎo)地位的別離渦頻率一致時(shí),相比于單一射流頻率對(duì)應(yīng)的幅值增加,在絕大局部頻率區(qū)域頻譜幅值都有著明顯的下降,總幅值較無(wú)控狀態(tài)下降了10.7%.說(shuō)明其它頻率的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度有著明顯的降低,反映了在合理的脈沖射流作用下,通道內(nèi)絕大多

42、數(shù)渦系結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響程度被顯著的削弱.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明射流頻率對(duì)脈沖射流的限制效果有著明顯的影響,采用該限制方式能到達(dá)限制氣流別離的目的.此外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),脈沖射流限制效果受別離區(qū)位置及尺寸等參數(shù)影響,基于單一射流限制方案射流位置、角度及強(qiáng)度分析脈沖射流限制氣流別離的機(jī)理略顯牽強(qiáng),對(duì)其機(jī)理的進(jìn)一步研究將結(jié)合后續(xù)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬進(jìn)行.目前結(jié)果說(shuō)明,在射流限制參數(shù)并未優(yōu)化的情況下,本文已獲得流動(dòng)損失降低約5%的效果,無(wú)源微脈沖射流技術(shù)是一種有希望的葉柵流動(dòng)限制方法.結(jié)論1無(wú)源脈沖射流限制方式中核心的脈沖射流器能產(chǎn)生明顯的脈沖射流且射流頻率無(wú)級(jí)可調(diào)；射流器出口瞬時(shí)總壓存在低于出口環(huán)境壓力的現(xiàn)象.2基于無(wú)源

43、脈沖限制方式的特點(diǎn)建立了一套仿葉柵通道試驗(yàn)臺(tái),得到了通道內(nèi)平均壓力及壓力波動(dòng)幅值的分布規(guī)律,大致得到了別離區(qū)大小和別離渦特性.在進(jìn)口馬赫數(shù)0.1狀態(tài)下,通道別離渦主頻為266Hz,對(duì)應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)St=0.18.3從通道總壓損失減小的效果來(lái)看,當(dāng)脈沖射流頻率接近通道內(nèi)別離渦主頻時(shí),通道總壓損失最小較無(wú)控狀態(tài)減小了約5%,脈沖射流限制效果最為明顯.此時(shí)通道內(nèi)占主導(dǎo)地位的別離渦的周期性特性得到了明顯的改善,其它頻率的旋渦對(duì)流場(chǎng)的影響程度在脈沖射流的作用下被削弱,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較無(wú)控、定常射流限制及其它脈沖射流頻率狀態(tài)更為有序.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了采用脈沖射流的限制方式能有效的抑制通道內(nèi)氣流別離,為后續(xù)的平面

44、葉柵實(shí)驗(yàn)奠定了根底.、f-y、.+卜參考文獻(xiàn)1 RivirRB,BonsJP,LakeJP.Passiveandactivecontrolofseparationingasturbines.AIAA-2000-2235,2000.2 HergtA,MeyerR,EngelK.Experimentalinvestigationofflowcontrolincompressorcascades.ASMEPaper,GT2006-90415,2006.3 GuoM,ZhangXY,ZhouS,etal.BVFapplicationonblowingcontrolofflowseparationofa

45、compressorcascade.JournalofAerospacePower,2021,23(8):1498-1503.(inChinese)郭明,鄭曉宇,周盛,等.BVF在吹氣限制壓氣機(jī)葉柵別離流中的應(yīng)用.航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2021,23(8):1498-1503.4 SchulerBJ,KerrebrockJL,MerchantA.Experimentalinvestigationofatransonicaspiratedcompressor.JournalofTurbomachinery,2005,127(4):340-348.5 GreenblattD,WygnanskiIJ.The

46、controlofflowseparationbyperiodicexcitation.ProgressinAerospaceSciences,2000,36(7):487-545.6 LuoZB,XiaZX.Advancesinsyntheticjettechnologyandapplicationsinflowcontrol.AdvancesinMechanics,2005,35(2):221-234.(inChinese)羅振兵,夏智勛.合成射流技術(shù)及其在流動(dòng)限制中應(yīng)用的進(jìn)展.力學(xué)進(jìn)展,2005,35(2):221-234.7 ZhangPF,WangJJ,FengLH.Reviewon

47、thezero-net-mass-fluxjetandtheapplicationinseparationflowcontrol.ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalScience,2021,51(9):1315-1344.張攀峰,王晉軍,馮立好.零質(zhì)量射流技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué),2021,51(9):1315-1344.8 ZhangPF,YanB,DaiCF.Liftenhancementmethodbysyntheticjetcirculationcontrol.ScienceinChinaSeriesE:TechnologicalScience,2021,55(9):2585-2592.張攀峰,燕波,戴晨峰.合成射流環(huán)量限制翼