龔 升，吳錘結(jié)，高 南

（大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院，大連 116024）

0 引 言

流動(dòng)分離是工程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，一些典型的分離流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性也一直是學(xué)者們研究的對(duì)象，例如前向臺(tái)階［1］、背向臺(tái)階［2］、鈍頭體繞流［3］、管道突擴(kuò)［4］、腔體［5］以及附壁射流［6］等。這些流動(dòng)具有一些共同的特點(diǎn)是當(dāng)流動(dòng)出現(xiàn)分離以后在流場(chǎng)內(nèi)形成具有較大速度梯度的區(qū)域，大尺度渦旋結(jié)構(gòu)在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)展。這些大尺度結(jié)構(gòu)卷吸分離區(qū)內(nèi)的流體，使分離區(qū)內(nèi)的壓強(qiáng)降低。因?yàn)榈蛪簠^(qū)的存在，時(shí)均流線逐漸向分離區(qū)彎曲，并最終貼附在壁面上，在附壁點(diǎn)附近形成局部的高壓區(qū)。大部分流體在附壁以后向下游流動(dòng)，而少部分流體向分離區(qū)流動(dòng)，形成回流區(qū)［7］。

圖1所示的平面附壁射流是一個(gè)靠近固體壁面的二維射流，它的出口速度方向平行于壁面。射流靠近壁面一側(cè)形成類(lèi)似其他分離流動(dòng)的剪切層和回流區(qū)，在射流遠(yuǎn)離壁面一側(cè)還有另一個(gè)剪切層形成并發(fā)展。這樣的附壁射流在塑料薄膜和造紙等生產(chǎn)過(guò)程中常被用來(lái)冷卻或干燥產(chǎn)品物面。Sawyer［8］、Nasr和Lai［9］、Nozaki［10］、Lund［11］以及Gao和Ewing［12－13］等相繼研究了與之相類(lèi)似的平面附壁射流的流場(chǎng)平均特性。Gao和Ewing通過(guò)測(cè)量流場(chǎng)平均速度以及脈動(dòng)壓強(qiáng)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)小偏移距離附壁射流（Hs／Hj≤1）的向下游發(fā)展的過(guò)程可以分為以下幾個(gè)不同階段：在接近射流出口區(qū)域（x／Xr≤0.65），射流逐漸改變流動(dòng)方向，流動(dòng)方向偏向壁面但最大流動(dòng)速度不發(fā)生變化，這里Xr為再附著區(qū)的時(shí)均長(zhǎng)度。射流在0.65＜x／Xr≤1.1范圍內(nèi)貼附在壁面上，射流沿壁面逐漸向下游發(fā)展，其速度分布在x／Hj≥6區(qū)域內(nèi)逐步變化，在x／Hj≥10區(qū)域內(nèi)附壁射流的速度分布與普通壁面射流（沒(méi)有初始偏移Hs＝0）完全相似，進(jìn)入充分發(fā)展的壁面射流狀態(tài)。

以往的研究還發(fā)現(xiàn)平面附壁射流附壁點(diǎn)到射流出口壁面之間的回流區(qū)的長(zhǎng)度（Xr）隨著射流距離壁面的高度（Hs）變化而變化。Nasr和Lai［9］研究了Hs／Hj＝1～20的射流，發(fā)現(xiàn)Xr／Hj隨著Hs／Hj增長(zhǎng)，他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了分離區(qū)長(zhǎng)度和射流高度之間的關(guān)系Xr／Hj～（Hs／Hj）0.851。Gao和E－wing［12］研究偏移高度較小的平面內(nèi)附壁射流（Hs／Hj≤1.0）時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Hs／Hj≤0.2時(shí)，分離區(qū)長(zhǎng)度Xr／Hs≈6與背向臺(tái)階下游回流區(qū)長(zhǎng)度相似［14］。當(dāng)0.4≤Hs／Hj≤1時(shí)，Xr／Hs逐步減小至4.6。另外，分離區(qū)的大小和流動(dòng)的初始狀態(tài)，比如來(lái)流雷諾數(shù)、來(lái)流邊界層厚度（θ／Hs）等有關(guān)［12］。

射流內(nèi)側(cè)剪切層的大尺度結(jié)構(gòu)會(huì)使射流的附壁點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生變化，附壁點(diǎn)附近以及回流區(qū)內(nèi)部的壓強(qiáng)也相應(yīng)發(fā)生變化。分離流動(dòng)參數(shù)的亞周期性動(dòng)態(tài)特性也引起了學(xué)者們很大的興趣。Gao和Ewing［12］通過(guò)測(cè)量流場(chǎng)脈動(dòng)速度和壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的相關(guān)函數(shù)研究了附壁射流中的大尺度擬序結(jié)構(gòu)，他們使用的平面射流下沿距壁面高度為1個(gè)射流高度，即Hs／Hj＝1，發(fā)現(xiàn)剪切層內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)造成壁面壓強(qiáng)發(fā)生亞周期性變化，壓強(qiáng)的功率譜在特征頻率f·Hj／Uj在0.1～0.2范圍內(nèi)均勻分布，沒(méi)有明顯的尖峰存在，他們認(rèn)為這個(gè)頻段的脈動(dòng)壓強(qiáng)是分離流場(chǎng)的渦脫不穩(wěn)定性（shedding instability）引起的。Wee等人［15］和Hudy等人［16］通過(guò)線性不穩(wěn)定性分析和實(shí)驗(yàn)方法研究背向臺(tái)階流動(dòng)的渦脫不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)該不穩(wěn)定性特征頻率（f·Hj／Uj）約為0.1。他們提出該不穩(wěn)定性是由向下游傳播的渦旋脈動(dòng)信息與回流向上游傳播脈動(dòng)信息相互作用引起的自激作用造成的（self－sustained oscillations）。除此之外，Gao和Ewing［13］還發(fā)現(xiàn)平面附壁射流在分離區(qū)內(nèi)還有一個(gè)明顯的低頻抖動(dòng)不穩(wěn)定性（flapping instability，特征頻率為f·Hj／Uj＜0.04），其長(zhǎng)度尺度與分離區(qū)長(zhǎng)度基本一致，特征頻率為渦脫特征頻率的若干分之一。當(dāng)射流貼附在壁面后，在剪切層中生成的旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)壁面的影響隨著距出口的距離增加逐漸減弱。在射流內(nèi)側(cè)和外側(cè)剪切層生成、發(fā)展的旋渦結(jié)構(gòu)配對(duì)并融合，融合后的旋渦結(jié)構(gòu)逐漸變大，其形態(tài)與沒(méi)有初始偏移高度的普通平面射流（Hs／Hj＝0）非常相似［12－13］。

有的學(xué)者嘗試通過(guò)一系列手段影響附壁射流的發(fā)展。Tanaka等人［17－19］通過(guò)在一個(gè)圓周附壁射流（radial reattaching jet）分離區(qū)內(nèi)抽吸和吹入另一小股恒定流量射流的辦法來(lái)控制主射流的分離區(qū)大小。他們發(fā)現(xiàn)分離區(qū)內(nèi)被吹入氣體以后，分離區(qū)內(nèi)部壓強(qiáng)會(huì)有所增加，壓強(qiáng)梯度有所減小，分離流動(dòng)曲率會(huì)相應(yīng)減小，分離區(qū)長(zhǎng)度相應(yīng)變長(zhǎng)。而從分離區(qū)抽吸的流量增加以后，分離區(qū)內(nèi)部壓強(qiáng)減小，壓強(qiáng)梯度增大，分離流動(dòng)曲率增大，分離區(qū)長(zhǎng)度相應(yīng)變短。使用恒定流量射流的主動(dòng)控制方法也被Forliti和Strykowski［20］使用在背向臺(tái)階流動(dòng)中，還被Greenblatt［21］等用在控制翼型大迎角條件下的背部分離流動(dòng)中，他們發(fā)現(xiàn)分離區(qū)長(zhǎng)度隨吹吸流量有相似的變化。Heenan和Morrison［22］使用可以調(diào)節(jié)通透率的孔板作為背向臺(tái)階流動(dòng)的底板。通過(guò)這種被動(dòng)控制的方式，發(fā)現(xiàn)背向臺(tái)階流動(dòng)壁面壓強(qiáng)的脈動(dòng)值隨著孔板通透率的提高而降低了。他們認(rèn)為孔板破壞了分離區(qū)低頻擾動(dòng)（f·Xr／Uj～0.1）的反饋機(jī)制從而降低了渦旋的強(qiáng)度。在本項(xiàng)研究中，以一個(gè)平面附壁射流為對(duì)象，使用與Heenan和Morrison類(lèi)似的辦法來(lái)研究孔板對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形式的影響，探究孔板降低壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的原因。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)（如圖2所示）從左到右由離心式風(fēng)機(jī)、漸擴(kuò)段、穩(wěn)定段、收縮段以及實(shí)驗(yàn)段構(gòu)成。漸擴(kuò)段為木制，其他部分為5mm厚有機(jī)玻璃制。在穩(wěn)定段前后加有孔板進(jìn)行整流，使射流出口湍流度小于0.5%。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施寬度均為294mm。收縮段使用5次多項(xiàng)式曲線進(jìn)行二元收縮，入口高度為300mm，射流出口高度（Hj）為30mm，收縮比為10。射流出口下沿距壁面高度（Hs）為30mm。實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)500mm，由一個(gè)底板和兩個(gè)高200mm的側(cè)板組成。在底板上距離射流出口360mm以?xún)?nèi)（x／Hj≤12）均布著半徑為3.5mm的圓孔，孔間間距為2mm。圓孔半徑僅為射流旋渦特征長(zhǎng)度尺度（Hj）的12%左右，孔的形狀及排列方式對(duì)渦旋的發(fā)展影響可以忽略。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)在壁面粘貼無(wú)痕膠帶的方式改變通透率（孔板開(kāi)孔面積和總面積比，open－area ratio，OAR）。實(shí)驗(yàn)選擇的通透率為0、10.7%、21.4%和42.8%。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.2 Schematics of the test rig

實(shí)驗(yàn)段正中間（z＝0）分布著20個(gè)松下WM－61B麥克風(fēng)來(lái)測(cè)量壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)p，前16個(gè)麥克間距為半個(gè)射流出口高度（Hj／2），后4個(gè)間距為Hj。麥克風(fēng)使用一臺(tái)紅聲HS－6020聲強(qiáng)校準(zhǔn)儀進(jìn)行標(biāo)定，該校準(zhǔn)儀能夠產(chǎn)生頻率為1000Hz、聲強(qiáng)為94dB的聲音信號(hào)。所有麥克風(fēng)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)20倍放大后，通過(guò)美國(guó)國(guó)家儀器公司NI－6014數(shù)據(jù)采集卡和Labview程序同時(shí)采集，采樣頻率為4096Hz，采樣時(shí)間為150s。更多關(guān)于使用麥克風(fēng)測(cè)量壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)見(jiàn)文獻(xiàn)［12－13，16］。

流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征可以通過(guò)研究壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的功率譜和不同位置脈動(dòng)壓強(qiáng)的互譜獲得，x1和x2兩點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)的互譜由如下公式計(jì)算：

式中＾p（x1，f）是壁面壓強(qiáng)p（x1，t）的傅里葉變換，＊代表共軛，T為采樣時(shí)間。而互譜的模（相干性系數(shù)）由如下公式計(jì)算：

互譜的幅角的定義式為：

射流出口速度由安置在穩(wěn)定段壁面上的一枚壓強(qiáng)傳感器測(cè)量結(jié)果算出，傳感器測(cè)量精度±0.2Pa，測(cè)量時(shí)間60s，采樣頻率1024Hz。速度測(cè)量精度±0.5%，脈動(dòng)壓強(qiáng)（壁面壓強(qiáng)信號(hào)的均方根值，p′）測(cè)量精度±1%，功率譜和互譜精度為±8%。

采用航華煙線儀進(jìn)行流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)。一根直徑d為0.1mm的304不銹鋼絲懸掛在射流出口（x＝ 0.1 Hj，z＝0），鋼絲上涂抹石蠟油和柴油的混合液。大容量電容放電加熱鋼絲上的液滴來(lái)產(chǎn)生煙霧并使用一臺(tái)佳能5DII相機(jī)拍攝煙霧。煙線儀使用ATMEGA單片機(jī)及人機(jī)交互界面對(duì)放電電流以及拍照時(shí)間進(jìn)行精確控制。鋼絲直徑對(duì)應(yīng)的最大雷諾數(shù)（Uj·d／υ）為63，基本滿足煙線實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼絲直徑的要求［23］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3顯示的是麥克風(fēng)陣列測(cè)得的不同壁面通透率下壁面壓強(qiáng)均方根值的分布，對(duì)應(yīng)射流雷諾數(shù)為19000。在附壁過(guò)程中，射流內(nèi)部的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)和壁面相互作用，使壁面的壓強(qiáng)出現(xiàn)亞周期性的變化。對(duì)于全封閉壁面，脈動(dòng)壓強(qiáng)值出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，脈動(dòng)壓強(qiáng)在附壁點(diǎn)附近（x＝4 Hj）達(dá)到最大值，最大值幅度與Heenan和Morrison［22］對(duì)背向臺(tái)階流動(dòng)的測(cè)量結(jié)果相近，但比Gao和Ewing［12］測(cè)量值低20%左右，峰值出現(xiàn)位置也比Gao和Ewing提前0.5 Hj。這很可能與射流的出口條件有關(guān)。本文研究的射流經(jīng)過(guò)5次多項(xiàng)式曲線收縮以后，出口速度形似“禮帽”，流動(dòng)初始湍流度較?。?.5%），而Gao和Ewing［12］研究的射流是充分發(fā)展的流動(dòng)，射流出口湍流度較大（2.5%）。當(dāng)壁面通透率為10.7%時(shí)，脈動(dòng)壓強(qiáng)的峰值下降大約20%，最大值出現(xiàn)的位置向下游移動(dòng)至x＝5 Hj附近，說(shuō)明開(kāi)孔導(dǎo)致平均附壁點(diǎn)向下游移動(dòng)，分離區(qū)的平均長(zhǎng)度變長(zhǎng)。因?yàn)榉蛛x區(qū)內(nèi)表壓為負(fù)值，開(kāi)孔以后有空氣通過(guò)孔洞被吸入分離區(qū)，導(dǎo)致分離區(qū)壓強(qiáng)上升，進(jìn)而使射流附壁過(guò)程變得更為緩和，內(nèi)側(cè)剪切層內(nèi)的渦旋和壁面相互作用也相應(yīng)減小，導(dǎo)致壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)變化幅度下降。分離區(qū)內(nèi)部壓強(qiáng)的脈動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，說(shuō)明開(kāi)孔顯著地影響了分離區(qū)內(nèi)部流動(dòng)，使回流對(duì)壁面壓強(qiáng)影響減小。隨著壁面通透率增加，脈動(dòng)壓強(qiáng)的峰值逐漸下降，最大值出現(xiàn)的位置逐步向下游移動(dòng)。當(dāng)通透率為42.8%時(shí)，壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)逐漸增加，但由射流再附過(guò)程產(chǎn)生的壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值已不明顯。

圖3 壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)分布（Cp′＝2p′／ρU2j），射流雷諾數(shù)Re為19000Fig.3 Distributions of the fluctuating wall pressure coefficient for jets with a bottom wall of different open area ratios and a Reynolds number of 19000

圖4 不同壁面通透率條件下的流場(chǎng)煙線顯示圖，射流雷諾數(shù)Re為7600Fig.4 Visualizations of offset jets with a Reynolds number of 7600 and different open area ratios using smoke wire techniques

圖4為雷諾數(shù)7600時(shí)附壁射流在不同壁面通透率下的流場(chǎng)煙線顯示圖。應(yīng)該指出的是，圖像顯示的每根脈線都是由曾流經(jīng)電阻絲上某個(gè)油滴空氣微團(tuán)的組合，而射流是一個(gè)非定常流場(chǎng)，脈線只適于用來(lái)指導(dǎo)流場(chǎng)進(jìn)行初步的定性分析。對(duì)全封閉壁面，射流從出口開(kāi)始向壁面逐漸發(fā)生偏移，大尺度渦旋結(jié)構(gòu)在射流兩側(cè)剪切層產(chǎn)生，在向下游發(fā)展過(guò)程中其長(zhǎng)度尺度逐漸增大。射流在離開(kāi)出口以后4～6個(gè)臺(tái)階高度左右附著在壁面上。由于射流在再附過(guò)程中引起的擠壓，內(nèi)側(cè)剪切層內(nèi)的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)在射流附壁以后很快消失，渦旋結(jié)構(gòu)和壁面的相互作用引起了壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的迅速變化，這是時(shí)均附壁點(diǎn)附近形成脈動(dòng)壓強(qiáng)峰值的主要原因。當(dāng)壁面通透率為10.7%的時(shí)候，射流出口脈線向壁面偏移角度變小。當(dāng)壁面通透率進(jìn)一步增大到21.4%的時(shí)候，射流出口脈線幾乎平行于壁面發(fā)展，“附壁”現(xiàn)象基本消失，射流更趨近于自由發(fā)展的平面射流。當(dāng)壁面通透率為42.8%時(shí)，射流為自由平面射流，在射流兩側(cè)依次出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向相反的大尺度渦旋結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)清晰完整，不受壁面的影響。隨著這些結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺度的增加，它們對(duì)壁面壓強(qiáng)的影響逐步加大，但由附壁作用產(chǎn)生的較強(qiáng)的相互作用已經(jīng)消失。

為進(jìn)一步研究壁面開(kāi)孔對(duì)射流動(dòng)態(tài)特征的影響，對(duì)壁面壓強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲得了脈動(dòng)壓強(qiáng)的功率譜以及不同位置脈動(dòng)壓強(qiáng)的互譜。圖5所示的是沿流向方向距離射流出口x／Hj為2，4，6和8四個(gè)位置的壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)的功率譜。對(duì)于全封閉底板射流，在接近射流出口位置x／Hj＝2和4上，功率譜在0.03≤f·Hj／Uj≤0.3特征頻率范圍內(nèi)分布比較平緩，說(shuō)明此區(qū)域脈動(dòng)壓強(qiáng)中存在低頻和高頻多種運(yùn)動(dòng)成分（即低頻的擺動(dòng)flapping和高頻的內(nèi)剪切層渦旋shear layer structures［12］），壁面開(kāi)孔以后各個(gè)頻率的脈動(dòng)壓強(qiáng)都有所降低，低頻脈動(dòng)成分（f· Hj／Uj＜0.1）降低幅度較大，并且隨著通透率的增加而進(jìn)一步降低。這說(shuō)明開(kāi)孔明顯削弱了回流區(qū)和附壁區(qū)內(nèi)部流動(dòng)的低頻運(yùn)動(dòng)組分。

全封閉底板的射流在x／Hj＝6開(kāi)始逐步過(guò)渡到類(lèi)似于普通壁面射流階段，這一區(qū)域的特點(diǎn)是壓強(qiáng)的主要脈動(dòng)頻率為f·Hj／Uj＝0.07。在x／Hj＝6，脈動(dòng)壓強(qiáng)在這一頻率上的峰值變得明顯，當(dāng)通透率為10.7%的時(shí)候，該峰值略有降低，特征頻率也降低為f·Hj／Uj＝0.06，說(shuō)明當(dāng)射流通過(guò)底板開(kāi)孔卷吸進(jìn)更多的空氣以后，特征頻率隨著流向速度的降低而有所降低。當(dāng)通透率進(jìn)一步增加到超過(guò)20%的時(shí)候，脈動(dòng)壓強(qiáng)的特征頻率為f·Hj／Uj＝0.15，這與低通透率有明顯的區(qū)別，說(shuō)明這時(shí)射流已經(jīng)變成類(lèi)似于自由射流的流動(dòng)，壁面對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響變得微小。

圖6所示的是在x／Hj＝0.5～8之間各點(diǎn)壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)與x1／Hj＝2處脈動(dòng)壓強(qiáng)之間互譜在不同頻率下的模（相干性系數(shù)，γpp）的分布。模的大小反映位置x1與位置x兩點(diǎn)的脈動(dòng)壓強(qiáng)在某一特定頻率f上的相關(guān)性。作為參照信號(hào)的p（x1＝2 Hj）與其自身的相干性系數(shù)在所有頻率上均為1，與其他位置p（x≠2 Hj）相干性系數(shù)小于1。當(dāng)使用全封閉壁面時(shí)，相干性系數(shù)γpp（x1＝2 Hj，x，f）在區(qū)域x／Hj≤8和特征頻率f·Hj／Uj＜0.04范圍內(nèi)以及區(qū)域x／Hj≤6和特征頻率0.2＜f·Hj／Uj＜0.4范圍內(nèi)有較大的值，說(shuō)明壁面壓強(qiáng)的低頻脈動(dòng)主要集中在前一個(gè)區(qū)域，而高頻的脈動(dòng)集中在后一個(gè)區(qū)域，根據(jù)Gao和Ewing［12－13］測(cè)量結(jié)果可推斷出這兩種運(yùn)動(dòng)分別代表著射流的低頻擺動(dòng)和內(nèi)側(cè)剪切層旋渦運(yùn)動(dòng)。當(dāng)通透率為10.7%時(shí)，低頻（f·Hj／Uj＜0.05）的相干性系數(shù)減小，說(shuō)明低頻運(yùn)動(dòng)被開(kāi)孔所削弱，而高頻的相干性系數(shù)逐漸增大，具有較大相干性系數(shù)的區(qū)域也得到了擴(kuò)張，說(shuō)明具有較高頻率的內(nèi)側(cè)剪切層的旋渦傳播區(qū)域更長(zhǎng)。

圖5 壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)功率譜，射流雷諾數(shù)Re為19000Fig.5 Power spectra of wall pressure fluctuations for offset attaching jets with a Reynolds number of 19000and different open area ratios

圖6 不同壁面通透率下壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)互譜的模（相干性系數(shù)），射流雷諾數(shù)Re為19000。壁面通透率0，10.7%，21.4%和42.8%。圖中在f·Hj／Uj＝0.025和0.24兩特征頻率上繪制的白線為輔助觀察線Fig.6 Cross－spectra of the wall pressure fluctuations measured at x／Hj＝0.5to 8and different open area ratios 0，10.7%，21.4%and 42.8%with a Reynolds number of 19000

隨著通透率進(jìn)一步增大到20%以上，相干性系數(shù)反映出低頻運(yùn)動(dòng)已經(jīng)消失，而由剪切層內(nèi)旋渦引起的壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)相干性更好，傳播區(qū)域更長(zhǎng)，這說(shuō)明低通透率情況下低頻擺動(dòng)起到了抑制剪切層旋渦傳播的作用，通過(guò)開(kāi)孔消除射流的低頻擺動(dòng)，剪切層旋渦變得更容易傳播，流動(dòng)更接近沒(méi)有壁面影響的平面自由射流。

為了更深入地了解這兩種運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)其壁面壓強(qiáng)互譜在兩個(gè)特征頻率上（f·Hj／Uj＝0.025和0.24）的幅角進(jìn)行分析，如圖7所示。當(dāng)為全封閉壁面時(shí)，在1≤x／Hj＜3之間以及x／Hj＞5區(qū)域的壓強(qiáng)低頻脈動(dòng)（f·Hj／Uj＝0.025）與x／Hj＝2的壓強(qiáng)同相，3＜x／Hj＜5之間的脈動(dòng)壓強(qiáng)與x／Hj＝2的壓強(qiáng)反相，這說(shuō)明射流在這個(gè)頻率上是一個(gè)近似上下擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。當(dāng)空隙率增加到10.7%以后，射流保持了低頻擺動(dòng)特性。但空隙率進(jìn)一步增加到20%以上之后，低頻幅角連續(xù)增加，表示擺動(dòng)已經(jīng)消失，取而代之的是擾動(dòng)連續(xù)向下傳播的運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)不同通透率的流場(chǎng)，高頻（f·Hj／Uj＝0.24）幅角都是線性增加的，這說(shuō)明該頻率相對(duì)應(yīng)的渦旋以一近似固定的傳播速度向下游傳播。需要指出的是在1≤x／Hj≤5區(qū)域，封閉底板射流幅角斜率要超過(guò)其他射流，這說(shuō)明開(kāi)孔減弱了渦旋的附壁過(guò)程，從而加快了這個(gè)區(qū)域內(nèi)渦旋的向下游移動(dòng)速度。

圖7 不同通透率下壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)互譜在頻率f·Hj／Uj＝0.025和0.24的幅角Fig.7 Phase angle of the cross－spectra of the fluctuating wall pressure for the frequencies of f·Hj／Uj＝0.025and 0.24with different open area ratios

3 結(jié) 論

研究了不同壁面通透率（0、10.7%、21.4%和42.8%）對(duì)平面附壁射流動(dòng)態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔壁面對(duì)旋渦的發(fā)展有明顯的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著壁面面積通透率的逐步增加，流場(chǎng)中特征頻率為f·Hj／Uj＜0.04的低頻抖動(dòng)現(xiàn)象逐步消失，流動(dòng)再附壁面的過(guò)程變得更為和緩，剪切層內(nèi)旋渦和壁面相互作用降低，致使壁面壓強(qiáng)的脈動(dòng)幅度減小。當(dāng)孔壁通透率超過(guò)20%時(shí)，射流出口的流線幾乎與壁面平行，壁面脈動(dòng)壓強(qiáng)幅度緩步增加，射流的動(dòng)態(tài)特性與平面自由射流非常類(lèi)似，剪切層內(nèi)渦旋的傳播速度也比附壁射流中的傳播速度快。

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