合成射流激励器及在主动流动控制中的应用

论文摘要

主动流动控制是航空航天研究的热点,也是流体力学研究的前沿。合成射流激励器独特的流场特性及其在主动流动控制中潜在的优越性,已成为国际上研究的热点课题。本文以实验研究为主,对合成射流激励器的工作机理及其在射流矢量偏转控制中的应用进行了研究。由于合成射流流场结构具有高度的复杂非定常特性,本文首先采用非接触瞬态流场测试技术-PIV对圆形出口合成射流激励器的流场结构进行了研究,通过改变激励器的出口孔径、出口长度、出口形式与振动膜幅值等参数,研究了上述参数变化对激励器共振频率、速度和激励器效率的影响特性,为高效合成射流激励器的设计和优化奠定了基础。在此基础上,设计研制了一种新型的斜出口合成射流激励器,开发了适用于该激励器流场特性测试的PIV实验装置,结合相位锁定技术对斜出口合成射流激励器的非定常流场结构进行了研究,分析比较了阵列式斜出口与平直出口合成射流激励器流场结构的区别。结果表明:右斜出口激励器仅在出口左侧边缘形成集中旋涡,在右侧形成附壁射流,补充激励器内部质量的空气来自于尖锐出口左侧,时均流场呈现沿壁面的横向输运特性。其流动特性十分有利于进行边界层/剪切层流动控制。最后,对斜出口合成射流流激励器在射流矢量偏转控制中的应用进行了探讨。实现了合成射流对宏观低速主射流偏转控制,射流最大偏转角可达24°。通过改变激励频率、激励电压、激励位置、激励高差和实验风速等参数,研究了不同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。实验中主射流速度V=10m/s,合成射流与主射流动量比为1:43时,主射流偏转角仍可达13°,此时合成射流激励器消耗的能量仅为1.5W,实现了以小的能量消耗获取高的控制效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 流动控制技术简介
• 1.2 合成射流技术研究回顾
• 1.2.1 合成射流技术提出
• 1.2.2 合成射流的形成准则
• 1.2.3 合成射流流场特点
• 1.3 合成射流激励器
• 1.3.1 合成射流激励器分类
• 1.3.2 合成射流激励器的主要发展方向
• 1.4 合成射流应用概述及国内外研究现状
• 1.4.1 合成射流应用概述
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.4.3 国内研究现状
• 1.5 本文研究内容总述
• 第二章 模型、试验设备与试验技术
• 2.1 实验模型
• 2.2 瞬态流场测试技术－粒子图像测速仪PIV
• 2.2.1 PIV 技术简介
• 2.2.2 PIV 图像的识别
• 2.2.3 TSI 公司PIV 系统的组成
• 2.2.4 合成射流PIV 流场测试
• 2.3 热线风速仪测试技术
• 2.3.1 热线风速仪的标定
• 2.3.2 热线风速仪的优缺点
• 第三章 合成射流非定常流场特性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 流场测试装置和测试方法
• 3.2.1 总压管实验测试装置
• 3.2.2 PIV 实验测试装置
• 3.3 合成射流流场特性实验研究
• 3.3.1 合成射流非定常瞬态流场特性
• 3.3.2 合成射流平均流场特性
• 3.3.3 小结
• 3.4 激励器参数对合成射流流场影响研究
• 3.4.1 出口孔径对射流流场的影响
• 3.4.2 出口长度对射流流场的影响
• 3.4.3 出口形式变化对射流流场的影响
• 3.4.4 振动膜幅值变化对射流流场的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 阵列式合成射流组流场特性实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 单缝合成射流流场特性
• 4.2.1 合成射流实验模型
• 4.2.2 单缝合成射流非定常流场特性
• 4.3 合成射流组流场特性
• 4.3.1 平直合成射流组流场特性
• 4.3.2 倾斜合成射流组流场特性
• 4.4 本章小节
• 第五章 合成射流射流矢量偏转控制实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 模型、试验设备和实验测试装置
• 5.2.1 合成射流激励器
• 5.2.2 二维射流风洞
• 5.2.3 射流矢量偏转控制实验测试装置
• 5.3 合成射流能否实现对主射流的偏转控制？
• 5.4 合成射流矢量偏转控制研究
• 5.4.1 激励器安装角的确定问题
• 5.4.2 激励器共振频率测定
• 5.4.3 激励频率变化对主射流偏转控制的影响
• 5.4.4 激励电压变化对主射流偏转控制的影响
• 5.4.5 高差变化对主射流偏转角的影响
• 5.4.6 风速变化对主射流偏转角的影响
• 5.4.7 频率和电压之间的控制耦合关系？
• 5.4.8 合成射流控制效率（合成射流与主射流动量比）探讨
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 本文的主要工作和结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文