多種流動控制技術

最新 05-28

流動分離是流體力學中一類非常重要而又複雜的流動現象，普遍存在於航空航天、動力機械等各類實際工程中。

圖1 壁面邊界層流動分離示意

如圖1所示，當流體繞鈍體或曲面流動且未發生分離時，邊界層外的流動可視為勢流。而在邊界層內，由於S2點之前沿流動方向壓強逐漸減小（壓強梯度為負，順壓梯度），因此作用在流體質點上的壓力合力方向與流動方向一致，並與邊界層內黏性阻滯作用相反。當流體流過S2點後，壓強逐漸增大（壓強梯度為正，逆壓梯度），作用在流體質點上的壓力合力方向與流動方向相反，在逆壓梯度與黏性阻力的雙重作用下，邊界層內的流動在S3點開始發生分離，此時靠近壁面的流體實際上變為迴流或逆流，流場中出現大尺度不規則旋渦，旋渦中流體的機械能一部分耗散並轉化為熱能，因此分離點下游的壓強近似等於分離點處的壓強。邊界層在分離後，不斷地捲起旋渦併流向下游形成尾跡，尾跡一般在流體下游會延伸一段距離。

在許多動力機械中，流體從固壁表面分離是不可避免的。儘管分離流動可以提高熱量和質量的傳輸以及混合效率，但由於其固有的非定常性，往往造成大量的能量損耗。流動分離不僅會引起飛行器的阻力增大、升力減小，導致迴流甚至失速，還會降低動力機械的運行效率，使動力機械產生振動並危害機組安全運行。例如，在軸流壓縮機中，繞流葉柵的流動發生分離會使壓縮機進入旋轉失速和喘振等不穩定的破壞性工況，導致壓比和效率急劇下降，振動增加，甚至造成重大事故。因此，加深對分離流動物理過程的認識，發展分離流動控制技術，一直是學術界和工程界關注的焦點。

進行流動控制的目的包括延遲/加速轉捩、抑制/加強湍流、阻止/促進分離等，從而減小阻力、增加升力、加強摻混、加強熱傳導並抑制流動引起的雜訊，具有廣泛的工程應用前景。進行流動控制還可以在很大程度上提高動力機械的性能。例如，在透平機械葉片表面進行流動控制可以延遲流動分離，提高壓比和質量流量；在機翼表面進行控制可以使流動狀態從層流轉捩為湍流，降低流動阻力；而對火箭發動機進行流動控制則可以增大摻混程度，提高燃燒效率及比沖，使發動機的小型化成為可能，同時可以大大提高火箭及導彈的機動性、經濟性，增大射程和載荷，提高能源利用率。

流動控制技術按控制方式分為被動控制與主動控制。被動控制是沒有輔助能量消耗的流動控制。這種控制技術通過改變流動邊界條件、壓強梯度等達到控制流動的目的，主要採用調節優化幾何型面來實現（如在物體表面使用固體渦旋發生器、在分離點上游物體表面加工一系列橫向或縱向溝槽、在物體表面布置粗糙單元等方法來減少或抑制流動分離）。這種控制是事先確定的，當實際情況偏離設計狀態時，控制效果有可能達不到最佳設計狀態。

主動控制是將輔助能量引入流動的控制。採用這種控制方法時，需要在流動環境中直接注入合適的擾動，使之與系統內的流動相互作用達到控制目的。主動控制方法包括表面運動、連續或間斷吸吹以及以激光、電子束、等離子體等為載體輸入能量的方法。流動分離的主、被動控制方法各有優缺點，被動控制的優點在於結構簡單，無需額外添加裝置或系統，但是變工況性能較差，不能根據主流工況的變化進行相應的調整，而且會增大流動阻力。主動控制的優勢在於具有良好的變工況性能，可以根據工況的變化改變自身結構或流動參數，從而達到最優的控制效果，但是主動控制方法往往需要添加額外的裝置或系統，從而增加了系統本身的複雜性。

基於渦旋射流的主動流動控制技術

Wallis在20世紀50年代提出了採用渦旋射流來抑制和延遲湍流邊界層分離的方法，他利用設置在固體壁面上與流動方向形成一定夾角的射流孔向主流中噴射流體，使其生成離散的縱向渦，從而對邊界層分離和流動失速進行控制。近年來，隨著計算機技術、現代流動測試技術的迅速發展，對渦旋射流控制方法及其應用的研究越來越廣泛。目前，相關研究和應用主要集中在擴壓器、透平葉片和機翼的流動分離控制。

渦旋射流（vortex generator jets，VGJs）能夠在湍流邊界層中產生較高強度的縱向渦，在逆壓梯度環境下，這種縱向渦能夠抑制或消除湍流區域的流動分離，其對邊界層的控制作用受到射流方向、射流速度比、射流孔形狀、射流管布置等多個參數的共同影響，大部分關於渦旋射流對流動分離控制效果的研究都圍繞這幾方面展開。

基於合成射流的主動流動控制技術

合成射流（synthetic jet）又稱零質量射流，是一種採用流體激勵器進行流場主動控制的全新技術。由於工質來源於主流流體，無需外部供應流體，因此控制結構比較簡單，所需能量極小。Ingard等在1950年就已利用聲波使管內空氣產生振動，進而在圓管兩端的小孔得到一系列渦環結構，但直到1993年，Wiltse等的研究才使合成射流技術真正成為一種主動流動控制技術，其後該技術迅速成為相關研究的熱點。國內，明曉等在20世紀80年代末也開始研究零質量射流各種現象的形成機理，並將其應用於流動分離的主動控制。

合成射流激勵器（synthetic jet actuator，SJA）是採用合成射流進行流動控制時的關鍵部件，主要由激勵器腔體和振動薄膜兩部分組成。其結構形式是在激勵器的一端開有小孔或細縫，在另一端安裝有振動薄膜。振動薄膜包括壓電材料和金屬薄膜，主要作用是將電信號轉化為薄膜的振動特性，將電能轉換為薄膜的動能，然後帶動激勵器空腔中的流體振動，產生吹、吸作用，每個周期的質量流量為零。圖2為典型的合成射流激勵器結構圖。

圖2 合成射流激勵器結構示意圖

流動分離的被動控制技術

流動分離的被動控制技術主要通過改變流動環境，如邊界條件、壓強梯度等來實現控制流動的目的。常用的被動控制技術包括使用固體渦旋發生器、在物體表面加工凸台、球窩、溝槽及粗糙單元體等。被動控制技術的優點是結構簡單，無需添加額外的能量消耗裝置或系統；缺點是變工況性能較差，並且通常會增大流動阻力。

國內外研究人員採用了多種被動方法對透平葉片和翼型表面的流動分離進行控制，並且發展出多種新型控制技術以實現更有效的流動控制。

振蕩撲翼的流場結構控制

除了傳統的主動和被動流動控制方式以外，還可以通過使控制結構按照特定規律運動，從而達到預期的流場結構及控制氣動特性的目的。例如，鳥類、魚類、鯨和海豚等生物通過控制翅膀或鰭的振蕩來產生氣動升力及推力，實現飛行或遊動。受此啟發，多位學者進行了仿生撲翼飛行器（flapping-wingMAV）的開發（圖3）。