劉 賀

（清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100192）

董金鐘 伍耐明

（北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京 100191）

大功率狹縫式活塞激勵器流場測量與分析

劉 賀

（清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100192）

董金鐘 伍耐明

（北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京 100191）

研制了一種大功率活塞射流激勵器，出口瞬時速度峰值可達0.3 Hz，通過對活塞激勵器射流流場測量，得到激勵器出口流場速度、渦量分布，分析得到激勵器合成射流流動結(jié)構(gòu)與特征，通過采用活塞激勵器控制同軸射流摻混，實驗結(jié)果證明此種活塞激勵器可以用于相對較高的速度流場的主動流動控制.利用提出的設(shè)計方法設(shè)計合成射流激勵器可以在激勵器出口形成穩(wěn)定的對渦結(jié)構(gòu)，采用一定的激勵頻率即可對噴管氣流摻混進行有效控制.研究表明，合成射流激勵器作為主動流動的執(zhí)行機構(gòu)，在航空動力排氣系統(tǒng)具有潛在的重要價值.

主動流動控制;狹縫式;活塞激勵器;渦對

合成射流技術(shù)是近年國內(nèi)外提出的一種新的流動主動控制概念.以合成射流激勵器作為控制元件，利用合成射流激勵器產(chǎn)生能量、動量、尺度和頻率可控的渦旋，作用于被控氣流，使其流動結(jié)構(gòu)得到控制.合成射流激勵器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易于實現(xiàn)等良好等特點［1－7］.國外的一些研究機構(gòu)正將合成射流技術(shù)應(yīng)用于機身/翼面減阻、機體外部氣動力控制、推力矢量控制、燃燒室油/氣摻混控制等研究方向，并取得了很大的進展［8－13］，國內(nèi)一些單位也在某些方向上取得了一些技術(shù)成果［14－16］.合成射流技術(shù)在低速流動控制上有著良好的作用和效果.

膜片激勵器由于各方面的限制因素，導(dǎo)致出口速度小，激勵射流能量低，無法滿足高速氣流合成射流控制的需要.研究大功率合成射流控制器的目的在于提高控制效果，直接利用活塞在氣缸中的運動，與膜片式激勵器相比可大大提高膜片振幅，通常振幅可以提高一個數(shù)量級，其出口速度也將提高一個數(shù)量級.利用活塞在氣缸中往復(fù)運動，壓縮、抽吸氣體，對被控氣流產(chǎn)生一吸一吹的脈動激勵，活塞激勵器的滲透能力更強，可以對大范圍的高速流動進行有效控制.活塞激勵器通常利用電機進行驅(qū)動，改變電機的轉(zhuǎn)速即可改變激勵頻率，改變活塞的行程可以改變激勵強度.當利用電機對這種激勵器進行驅(qū)動時，激勵頻率將受到電機轉(zhuǎn)速的限制，因此它的激勵頻率不高，通常在200～500 Hz.

通過對活塞激勵器射流流場測量，得到激勵器出口流場速度、渦量分布，分析得到激勵器合成射流流動結(jié)構(gòu)與特征，通過采用活塞激勵器控制同軸射流摻混，實驗結(jié)果證明此種活塞激勵器可以用于相對較高的速度流場的主動流動控制.研發(fā)更高出口速度的活塞激勵器使得高速流動的主動控制的實現(xiàn)成為可能.

1 試驗設(shè)備

1.1 狹縫式活塞激勵器設(shè)計

先前采用的活塞激勵器由于密封和摩擦損失等因素的限制，出口最大速度比較低，通過改進密封、潤滑與活塞內(nèi)空腔大小等措施，研制了一種活塞射流激勵器（如圖1a所示）.直流電機驅(qū)動活塞往復(fù)運動，在活塞氣缸壁上開縫0.5mm×12 mm（如圖1b所示），通過控制直流電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)氣缸壁上出口形成的噴射氣流速度，對所要控制的主流氣體進行激勵控制，實現(xiàn)合成射流激勵器的作用.

活塞式合成射流激勵器工作原理如圖1c，參照現(xiàn)有的一些活塞激勵器，為了實現(xiàn)提高出口流速的目的，從以下幾方面進行改進:①曲軸、連桿、活塞的潤滑均采用曲軸箱內(nèi)的機油，只要旋轉(zhuǎn)部件中有部分浸油高度達到1 mm即可實現(xiàn)充分潤滑.一定要控制浸油高度，否則會造成高速旋轉(zhuǎn)部件動力損失過大.②曲軸的密封采用設(shè)置在曲軸箱中的橡膠密封圈;活塞的密封是靠活塞與活塞缸的配合間隙控制.采用一體成型的活塞缸壁與出氣噴嘴，噴嘴出口狹縫采用線切割加工，最大限度的減小氣流在壓縮過程中的損失，保證氣體全部通過出口狹縫噴射出激勵器，提高射流速度與氣量.③曲軸箱出氣口容積應(yīng)盡量小，以減小氣流的動力損失.④為了便于手動與自動調(diào)速控制，對驅(qū)動電機配設(shè)了調(diào)速裝置.⑤在一定負載力矩情況下，電機負載特性良好，轉(zhuǎn)速下降不顯著，具有良好的高速運動特性（動平衡性），運行平穩(wěn)，噪音小.⑥散熱性能良好，電機帶有冷卻風扇，可長時間持續(xù)工作.

根據(jù)計算和試驗結(jié)論選擇設(shè)計參數(shù)如下:電機功率200 W，轉(zhuǎn)速5 000～24 000 r/min（空載），工作電壓220 V;PWM直流調(diào)速電源輸入電壓220 V，輸出電壓0～220 V，最大功率375 W，最大電流4 A;活塞直徑 13.7 mm，行程 3 mm，排量0.44 cm3;氣動腔體腔體出口縫隙長度12 mm，寬度0.5 mm.

圖1 合成射流示意圖和激勵器實物

1.2 測試系統(tǒng)

熱線風速儀主要用于流場內(nèi)單點的瞬時速度、脈動速度和速度方向的測量.實驗采用美國TSI公司生產(chǎn)的熱線風速儀，它具有調(diào)試簡單，高響應(yīng)，高精度等一系列特點，是流體測試中較為先進的測試設(shè)備.數(shù)據(jù)的測量精度是0.001 m/s，采樣頻率為10K/s.粒子成像測速技術(shù)（PIV，Partical Image Velocimeter），突破了空間單點測量的局限性，實現(xiàn)了對二維流場速度分布的瞬態(tài)測量，如圖2所示.本實驗采用TSI公司二維粒子圖像測速儀，采用乙二醇加熱后產(chǎn)生的霧滴作為示蹤粒子，測量區(qū)域的起始點距噴管出口3 mm.

1.3 活塞激勵器控制同軸射流速度摻混的裝置

射流摻混實驗中采用活塞激勵器，內(nèi)涵外徑φ10 mm，外涵外徑φ25 mm，內(nèi)管端面與收斂噴管端面平齊.圖3說明活塞激勵器與同軸射流的安裝示意圖.兩個活塞激勵器緊貼噴管出口，活塞激勵器的出氣方向與噴管射流流動方向垂直.活塞行程為3 mm，激勵器工作頻率依靠控制活塞驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn).電機可在0～15000 r/mim之間無級調(diào)節(jié)，使激勵頻率在0～250 Hz間無級調(diào)節(jié).激勵器出氣口面積為:12×0.5 mm2.

圖2 PIV測量系統(tǒng)工作示意圖

圖3 活塞激勵器與同軸噴管結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 活塞激勵器出口流場測量

為了研究激勵器射流流場結(jié)構(gòu)特征，本文首先對激勵器在靜環(huán)境流場中的射流進行了試驗測量.圖4是采用 PIV測量的活塞激勵器在15000 r/min轉(zhuǎn)速下的速度分布和渦量分布.T是激勵器活塞振動周期，從速度場和渦量圖上可以看出，距離出口較近處，激勵器的抽吸作用影響主流，超過一段距離后，激勵抽吸不再影響流動.

在t/T=0時，從激勵器出口噴射出高速氣團，氣團中心位置鎖相平均速度達到30 m/s左右，在氣團兩側(cè)伴有一對強烈旋轉(zhuǎn)的渦對，兩個旋渦運動方向相同，旋轉(zhuǎn)方向相反，渦對對中間氣流運動起到一個引射和壓縮的效果，使渦對中間的氣體速度增加，在t/T=0.125時，高速氣團的中心鎖相平均速度達到42 m/s（瞬時速度可達100 m/s），對應(yīng)的渦對渦量也從t/T=0時的小區(qū)域高渦量變成細長的渦量區(qū)域，主噴射氣流速度雖然增加，但是旋渦由于氣體粘性的作用，渦逐漸拉伸、破裂，能量逐級傳遞給越來越小的渦旋，高速氣團的中心向遠離噴管出口方向移動了10 mm，此時激勵器出口噴射氣團的速度達到最大值，此后渦對繼續(xù)拉伸、破裂，最終當旋渦尺度足夠小的時候，也就是達到了耗散尺度時，由粘性來耗散掉它得到湍流動能，這時旋渦就是穩(wěn)定的，不會再破裂，就形成耗散渦.從t/T=0.5開始，激勵器進入“吸氣”過程，出口沒有新的氣團產(chǎn)生，出口附近有吸氣現(xiàn)象發(fā)生，原有的氣團繼續(xù)運動，伴隨渦對的旋轉(zhuǎn)，與周圍環(huán)境空氣混合.到t/T=0.875“吸氣”過程結(jié)束，在下一個周期的t/T=0時，激勵器開始新的“吹氣”過程，噴口出現(xiàn)新的噴射氣團和對應(yīng)產(chǎn)生的渦對，上一周期產(chǎn)生的氣團在下游還沒有完全消失，周而復(fù)始，形成連續(xù)的渦系.

隨著活塞往復(fù)運動，激勵射流不斷被抽吸因而在噴口附近形成渦對，但是渦對在向外平移擴展的過程中很快就破碎并融進主流中.所以，激勵射流的形成是由于連續(xù)的渦對的渦量不斷補充到主流中的結(jié)果.這些旋渦不斷破碎并卷吸周圍流體，使得流體具有一定的動量從而維持射流的連續(xù)性.

活塞激勵器出口流場的流線圖如圖5所示，從圖中可以清晰的看到鞍點（S1，S2，…）和焦點（N1，N2，…）.t/T=0 時刻，激勵器噴出氣團左右伴隨2個旋渦向遠方運動，兩個旋渦的焦點為N1和N2.在N1和N2中間位置的氣流受到擠壓效果的作用，氣流通道變小，氣流加速，在其外側(cè)有小尺寸的渦形成的焦點N3和N4，在渦的卷吸過程中，主流一側(cè)的兩渦N1和N3之間形成鞍點S3，對應(yīng)一側(cè)形成 S4.t/T=0.25時刻，鞍點消失，焦點N3和N4遠離N1和N2.在t/T=0.5時，激勵器進入“吸氣”過程，激勵器出口中心位置形成鞍點S，激勵器出口氣流分為兩部分，S上游氣體被吸入激勵器，S下游氣體在渦對和慣性的作用下繼續(xù)往下游運動，此時渦對沒有新的能量的注入，渦繼續(xù)衰減，N1和N2之間的距離也開始逐漸變大.當t/T=0.75時，激勵器“吸氣”過程即將結(jié)束，新的噴射氣團在下一周期的t/T=0時刻從激勵器出口噴出，開始“吹氣”過程.激勵器出口連續(xù)不斷的形成有規(guī)律的渦對，這些旋渦不斷破碎并卷吸周圍流體，使得流體具有一定的動量從而維持射流的連續(xù)性，構(gòu)成了激勵器的特殊流場結(jié)構(gòu).正是由于激勵器有此結(jié)構(gòu)，激勵器才能在矢量偏轉(zhuǎn)和氣流摻混過程中起到相應(yīng)的作用.

2.2 活塞激勵器對同軸噴管流動速度摻混試驗

2.2.1 噴管出口氣流摻混特征

圖4 活塞激勵器在15000 r/min下的射流速度和渦量場

圖5 活塞激勵器出口流場的流線圖

為了驗證所設(shè)計的活塞激勵器能否實現(xiàn)主動流動控制，對活塞激勵器控制同軸噴管流動速度摻混進行了實驗測量.當激勵器不工作時，內(nèi)涵氣流與外涵氣流形成的剪切層，外涵氣流與環(huán)境氣流產(chǎn)生的剪切層都較薄，高速核心區(qū)的長度較長，激勵器工作時，由于激勵器產(chǎn)生的氣流作用于外涵氣流，所以外涵氣流與環(huán)境氣流形成的剪切層變厚很明顯，外涵氣流與環(huán)境氣流間的速度梯度變小.激勵器的能量穿過外涵后作用于內(nèi)涵氣流，剪切層變厚的現(xiàn)象很明顯，射流核心區(qū)的長度變短.圖6是渦量變化，由于外涵面積比較小，內(nèi)外涵之間的內(nèi)剪切層與外涵和環(huán)境之間的外剪切層合二為一，無轉(zhuǎn)速的情況下，高渦量區(qū)域明顯，剪切層明顯，激勵后高渦量區(qū)域消失，氣流速度分布均勻.

實驗中噴管內(nèi)外涵速度分別為40 m/s，20 m/s（基于內(nèi)涵參數(shù)的雷諾數(shù)Re=2.6×104）.在活塞激勵器作用下的摻混流場速度分布、渦量分布、湍流度分布如圖6所示.圖中激勵流場與無激勵作用的流場比較，分別測量了噴管出口原始流場的對應(yīng)參數(shù).其中圖6a和圖6b是激勵器工作前后時均速度場的對比（其中凹陷處為測量背景反光形成）.摻混射流流動方向從右至左.

激勵器不工作時，內(nèi)涵氣流與外涵氣流形成的剪切層，外涵氣流與環(huán)境氣流產(chǎn)生的剪切層都較薄，高速核心區(qū)的長度較長，激勵器工作時，由于激勵器產(chǎn)生的氣流作用于外涵氣流，所以外涵氣流與環(huán)境氣流形成的剪切層變厚很明顯，外涵氣流與環(huán)境氣流間的速度梯度變小.激勵器的能量穿過外涵后作用于內(nèi)涵氣流，剪切層變厚的現(xiàn)象很明顯，射流核心區(qū)的長度變短.圖6c和圖6d是渦量變化，由于外涵面積比較小，內(nèi)外涵之間的內(nèi)剪切層與外涵和環(huán)境之間的外剪切層合二為一，無轉(zhuǎn)速的情況下，高渦量區(qū)域明顯，剪切層明顯，激勵后高渦量區(qū)域消失，氣流速度分布均勻.

圖6 無激勵（0 r/min，0 Hz）和最大激勵（15000 r/min，250 Hz）的速度和渦量

取y/D=0，0.32和0.5截面（D 為噴口出口直徑），其速度在有無激勵的情況下對比，如圖7所示.

圖7 y/D=0，0.32 和0.5 截面上的速度分布

從圖7可以看出，y/D=0（流場內(nèi)涵氣流中心）在激勵250 Hz（15000 r/min）時內(nèi)涵中心軸線上的速度要比無激勵時下降，射流在x/D=0處內(nèi)涵軸線速度由34 m/s降低到 22 m/s，降低了35%，x/D=1附近激勵后流場速度的突降是由于此處受“吸氣”影響，速度衰減劇烈，后方區(qū)域不受“吸氣”影響，只通過渦對摻混;x/D=4處，內(nèi)涵軸線速度由21 m/s降低到10 m/s，氣流內(nèi)外涵摻混效果提高導(dǎo)致內(nèi)涵的高速核心氣流區(qū)域明顯變短.y/D=0.32處于內(nèi)外涵的交界處，在x/D=0處，速度由22.5 m/s降低到16 m/s，降低了29%，這是由于激勵器的作用，外涵低速氣體與內(nèi)涵高速氣體摻混更均勻.在y/D=0.5截面，在x/D=0處激勵后速度略有提高，這是由于激勵器噴射氣流在這個位置射出的結(jié)果，當x/D＞0.5，所有激勵后的速度均低于無激勵速度，外涵氣流與環(huán)境大氣充分摻混，速度迅速降低，流場趨于均勻.整個流場在激勵器作用下，流場速度變化非常明顯，證明合成射流激勵器對此工況下的同軸射流摻混有明顯改善摻混效果的作用.

2.2.2 徑向速度分布

圖8 x/D=0，0.6，2 和4 截面上的速度分布

時間平均速度在流向距離 x/D=0，0.6，2和4處沿y向的分布顯示在圖8中.靠近射流的出口平面，內(nèi)外涵之間剪切層的梯度較大，最大速度出現(xiàn)在射流的對稱軸上，由于內(nèi)外涵速度相差很大，所以內(nèi)剪切層發(fā)生動量的交換很大，內(nèi)涵速度的變化在y向上梯度很大，外剪切層也因兩側(cè)的速度差較大導(dǎo)致外剪切層在y向上速度梯度很大，由于在近口處，剪切層還很薄，而外涵流場y向范圍很寬，所以此處的流向速度有一段平穩(wěn)段，在激勵作用下，激勵射流還沒有完全發(fā)展，所以對整個y向流向速度的貢獻不明顯，當遠離摻混射流的出口時，內(nèi)外涵速度及環(huán)境速度差進一步縮小，所以外涵流場處的平穩(wěn)段消失，內(nèi)涵和外涵速度減小，外界環(huán)境速度在摻混作用下略有提升，整個流場速度在y向上趨于均勻.

2.2.3 激勵頻率對速度摻混的影響

電機轉(zhuǎn)速不同時，激勵器的激勵頻率不同.改變激勵頻率時的摻混效果如圖9所示.此時內(nèi)涵流速56m/s，外涵流速28m/s（基于內(nèi)涵參數(shù)的雷諾數(shù) Re=3.5×104），電機轉(zhuǎn)速分別為 0 r/min（無激勵），8 000 r/min，10 000 r/min 和 15 000 r/min.由活塞單激勵器特性可知，激勵電機轉(zhuǎn)速越大，激勵器出口噴射氣團平均速度越大.如圖9所示，激勵電機轉(zhuǎn)速越大，主流高速核心區(qū)長度縮短越多，氣流內(nèi)外剪切層越厚，流場摻混越均勻.

圖10表示噴管內(nèi)涵出口流速沿軸向分布.激勵電機轉(zhuǎn)速越大，內(nèi)涵流速越低，高速區(qū)長度越短.

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的合成射流流場速度分布

圖10 軸線速度在不同電機轉(zhuǎn)速下的變化

3 結(jié)論

1）研制了大功率活塞式射流激勵器.

2）在最大工作參數(shù)下，所研制的激勵器出口最大瞬時速度峰值達到100m/s左右，PIV測量經(jīng)過鎖相平均后的最大瞬時速度為42 m/s.

3）在最大工況下，激勵器可以加速同軸射流剪切層的摻混，合理的組合與使用此種活塞激勵器，可以實現(xiàn)較高速度的同軸射流增強摻混效果.

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Measurements and analysis of high-power slot-type piston actuator flow-field

Liu He
（School of Aeronautics and Astronautics，Tsinghua University，Beijing 100192，China）
Dong Jinzhong Wu Naiming
（School of Jet Propulsion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

A high-power piston actuator was investigated and peak instantaneous velocity could be up to 0.3 Mach number.Exit velocity and vorticity distribution were obtained through experimental measurements.Synthetic jet flow structure and characters were investigated.Coaxial jet mixing was controlled by piston actuator，indicating which can be used in relative high velocity field to realize active flow control.The results show that the steady vortex pair at export can be formed by using the design methods of synthetic jet actuator presented.The mixing for nozzle flow can be effectively controlled with a certain excitation frequency.It presents that synthetic jet actuator can be used as the implementation of active flow control and has potentially important value to air power exhaust system.

active flow control;slot-type;piston actuator;vertex pair

V 211.3

A

1001-5965（2012）02-0195-07

2010-07-20;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2012-02-21 11:46;

CNKI:11-2625/V.20120221.1146.017

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1146.017.html

劉 賀（1979－），男（滿族），遼寧本溪人，博士后，liu_he5656@sina.com.

（編 輯:張 嶸）