郭 輝，李小寶，王海文，馮玉龍

（1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京航空航天大學(xué)），北京100191）

展向離散抽吸法控制邊界層轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)研究

郭 輝，李小寶，王海文，馮玉龍

（1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京航空航天大學(xué)），北京100191）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功發(fā)展了一種生成大振幅穩(wěn)定條帶的有效方法，即展向離散抽吸方法。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展條帶控制邊界層轉(zhuǎn)捩的研究。實(shí)驗(yàn)在水洞中進(jìn)行，以零壓力梯度平板邊界層為研究對(duì)象，利用氫氣泡時(shí)間線法觀測(cè)引入條帶前后人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩邊界層中擾動(dòng)發(fā)展變化，分析條帶對(duì)轉(zhuǎn)捩的控制效果及參數(shù)影響。結(jié)果表明，展向離散抽吸方法生成的穩(wěn)定條帶最大振幅可達(dá)28.4%U（U為自由流速度）；實(shí)驗(yàn)中引入的寬度14和28mm的穩(wěn)定條帶都能起到抑制轉(zhuǎn)捩的作用；條帶振幅越大、寬度越窄，抑制效果越明顯。研究結(jié)果為探索降低水／空氣中航行器摩阻的新技術(shù)提供有價(jià)值的參考。

條帶；邊界層；轉(zhuǎn)捩；流動(dòng)控制；氫氣泡法

0 引 言

有效降低阻力對(duì)于提高空氣／水中航行器性能和經(jīng)濟(jì)性以及節(jié)能環(huán)保都是非常重要的。巡航狀態(tài)的空氣／水中航行器大都是表現(xiàn)為小迎角的流線型外形，流動(dòng)分離不顯著或僅限于后緣很小的區(qū)域，以摩擦阻力為主。如在巡航狀態(tài)的飛行器摩阻占到總阻力的50%，水中航行器的摩阻可高達(dá)80%。通常邊界層的發(fā)展始于層流，經(jīng)轉(zhuǎn)捩發(fā)展為湍流。典型飛行雷諾數(shù)條件下，邊界層內(nèi)層流的摩阻比湍流小一個(gè)量級(jí)，雷諾數(shù)越大差別越顯著。于是減小摩阻發(fā)展出2條途徑：一是延遲邊界層轉(zhuǎn)捩，又稱層流控制（laminar flow control，LFC），目的在于保持更大的層流范圍［1-2］；二是發(fā)展湍流邊界層減阻技術(shù)［3］。本項(xiàng)研究關(guān)注的是第一種技術(shù)途徑。

上游引入穩(wěn)定條帶是近幾年提出的一種新的延遲轉(zhuǎn)捩方法［4-5］。已有研究表明，上游引入穩(wěn)定條帶可以有效抑制T-S波的增長(zhǎng)，從而使轉(zhuǎn)捩得到延遲［6-8］。條帶對(duì)T-S波的抑制作用強(qiáng)弱受條帶振幅的影響，振幅越大，抑制效果越好。但以往采用的粗糙元方法能夠生成的穩(wěn)定條帶的最大振幅只有12%U（U為自由流速度），遠(yuǎn)小于理論預(yù)測(cè)的條帶穩(wěn)定的振幅上限閾值26%U［9］。這種方法之所以無(wú)法生成振幅更高的穩(wěn)定條帶，原因在于生成振幅更高的條帶需要更高的粗糙元，而粗糙元的高度增加后，局部繞流引起的渦脫落形式的擾動(dòng)將直接引起邊界層旁路轉(zhuǎn)捩，條帶延遲轉(zhuǎn)捩作用失效。因此尋求有效生成大振幅穩(wěn)定條帶來(lái)提高延遲轉(zhuǎn)捩效果成為該流動(dòng)控制技術(shù)研究關(guān)注的一大問(wèn)題［10-11］，最近的渦流發(fā)生器法生成的穩(wěn)定條帶最大振幅甚至高于30%U［11］。另一個(gè)問(wèn)題是，盡管條帶對(duì)T-S波增長(zhǎng)的抑制作用很明確，也有實(shí)驗(yàn)給出引入條帶能夠抑制轉(zhuǎn)捩的實(shí)例，但這并不代表引入任何條帶都會(huì)延遲轉(zhuǎn)捩。新近的數(shù)值模擬和穩(wěn)定性研究結(jié)果也表明，不同的條帶參數(shù)（如條帶寬度）可能會(huì)得到完全不同的轉(zhuǎn)捩控制效果，即轉(zhuǎn)捩有可能會(huì)被延遲，也有可能會(huì)得到促進(jìn)而提早發(fā)生［12-14］。原因在于T-S波增長(zhǎng)只是轉(zhuǎn)捩過(guò)程中的起始階段，條帶對(duì)后續(xù)的二次不穩(wěn)定等擾動(dòng)發(fā)展的影響，也會(huì)直接關(guān)系到最終的控制效果。因此需要開(kāi)展不同條帶參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和影響機(jī)制研究，找出能夠延遲轉(zhuǎn)捩的條帶參數(shù)及最優(yōu)控制參數(shù)，為該流動(dòng)控制技術(shù)的工程應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

在我們嘗試?yán)脺u流法生成大振幅穩(wěn)定條帶的實(shí)驗(yàn)中，偶然發(fā)現(xiàn)展向離散抽吸更能有效生成大振幅穩(wěn)定條帶，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展條帶控制轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)研究。本文實(shí)驗(yàn)工作首先對(duì)未加任何擾動(dòng)的平板邊界層基本流動(dòng)性態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)；接下來(lái)引入固定頻率T-S波擾動(dòng)激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩，然后通過(guò)展向離散抽吸法引入條帶，利用氫氣泡時(shí)間線方法觀測(cè)引入條帶前后轉(zhuǎn)捩過(guò)程中擾動(dòng)發(fā)展的變化，分析條帶對(duì)轉(zhuǎn)捩的控制效果，即抑制還是促進(jìn)轉(zhuǎn)捩，包括條帶振幅和寬度等參數(shù)變化的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)回流式多用途低速水洞中完成。水洞實(shí)驗(yàn)段尺寸1.2m×1.0m×16m（高×寬×長(zhǎng)），最高流速1.0m／s。本次實(shí)驗(yàn)來(lái)流速度保持在U=0.2m／s，此流速下實(shí)驗(yàn)段湍流度和截面速度不均勻度均低于1%。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)平板立于水洞底壁，尺寸2.5m×1.05m×20mm（長(zhǎng)×寬×厚），平板前緣截面為1∶3半橢圓，后緣裝有偏角β可調(diào)的尾鰭，用以控制前緣駐點(diǎn)位置，保證平板工作面上基本邊界層流動(dòng)為穩(wěn)定的層流。

激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩的T-S波擾動(dòng)通過(guò)距平板前緣xs=1000mm處的展向狹縫引入（見(jiàn)圖1（a）），狹縫寬1mm，長(zhǎng)300mm。擾動(dòng)引入裝置如圖1（b），擾動(dòng)信號(hào)來(lái)自信號(hào)發(fā)生器生成的正弦波，通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，引起揚(yáng)聲器封閉內(nèi)腔容積的周期性變化，導(dǎo)致與其連通的狹縫處形成周期性零質(zhì)量射流，在邊界層內(nèi)可發(fā)展成二維T-S波擾動(dòng)［15］。信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)的頻率和幅值可調(diào)，可用來(lái)改變引入邊界層內(nèi)T-S波的頻率和振幅。定義坐標(biāo)如圖1（a）所示：x沿流向，x=0位于前緣；y沿平板工作面外法向，y= 0位于壁面；z為展向，z=0位于狹縫展向中心處。

條帶通過(guò)距平板前緣xst=218mm的展向等距布置的抽吸孔引入，如圖1（c）所示，抽吸孔直徑4mm，與平板傾角為15°。抽吸通過(guò)虹吸原理實(shí)現(xiàn)，各孔抽吸量Q保持相等，Q的大小可以通過(guò)改變各虹吸管出口的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用以改變生成條帶的振幅。本次實(shí)驗(yàn)中抽吸間距Δz主要取14、20和28mm 3種情況，在下游生成相同寬度（波長(zhǎng)）的條帶。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Sketches of experimental setup

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)采用氫氣泡時(shí)間線法，時(shí)間線頻率12 Hz。主要采用俯視觀測(cè)方式，即生成氫氣泡的鉑絲沿展向（z向）布置于邊界層內(nèi)某一高度，觀測(cè)到的是此高度平行平板的流動(dòng)形態(tài)，可顯示出轉(zhuǎn)捩過(guò)程擾動(dòng)發(fā)展的各種典型形式如T-S波、Λ結(jié)構(gòu)（發(fā)卡渦）以及流動(dòng)紊亂化現(xiàn)象等。通過(guò)氫氣泡時(shí)間線法，還可以得到部分定量信息，如邊界層速度分布和條帶振幅等等。本次實(shí)驗(yàn)氫氣泡時(shí)間線法測(cè)量流速和條帶振幅相對(duì)誤差均小于1%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 基本邊界層流動(dòng)

在關(guān)于邊界層轉(zhuǎn)捩及其控制的實(shí)驗(yàn)中，首要工作是需先明確未引入任何擾動(dòng)時(shí)基本邊界層的流動(dòng)性態(tài)。圖2（a）和2（b）分別給出本次實(shí)驗(yàn)中氫氣泡時(shí)間線法測(cè)得的基本邊界層中不同流向位置速度分布和邊界層位移厚度δ*，測(cè)量結(jié)果與Blasius理論解相吻合。需要說(shuō)明的是圖2（b）中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的邊界層位移厚度結(jié)果與理論結(jié)果相比向下游偏移Δx=43mm，這是由于半橢圓前緣區(qū)域存在的局部壓強(qiáng)梯度引起的，對(duì)下游的流動(dòng)無(wú)進(jìn)一步影響［15］。

圖2 基本邊界層流動(dòng)特性及其與Blasius結(jié)果的比較Fig.2 Characteristics of basic boundary layer flow and comparison with those of Blasius results

基本邊界層流動(dòng)在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)范圍內(nèi)（x=500～2000mm）的氫氣泡時(shí)間線俯視圖中都顯示出穩(wěn)定的層流特征：相鄰時(shí)間線等距且相互平行，沿展向無(wú)明顯變化，如圖3在x=2000mm即x-xs=1000mm處的流動(dòng)顯示結(jié)果。本文中給出的氫氣泡流動(dòng)顯示圖片中流動(dòng)方向都是從左向右，圖片說(shuō)明中參數(shù)x-xs和y／δ分別代表氫氣泡發(fā)生線（鉑絲）的流向和法向位置。其中δ為當(dāng)?shù)剡吔鐚映叨?，定義為δ=（xν／U）1／2，ν為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

2.2 展向離散抽吸生成條帶

本部分探討在基本邊界層中利用展向離散抽吸方法生成穩(wěn)定條帶的現(xiàn)象、機(jī)制和振幅發(fā)展特性，條帶寬度（抽吸孔間距）Δz=20mm。

展向離散抽吸生成條帶機(jī)制如圖4（a）所示。在流向位置1（x=250mm）設(shè)置橫截面激光片光“切割”上游展向布置的鉑絲發(fā)出的氫氣泡面，結(jié)果見(jiàn)圖1（b），可以清晰的看到在每個(gè)抽吸孔下游展向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦對(duì)。由于誘導(dǎo)作用，流向渦對(duì)可以有效地引起近壁區(qū)低動(dòng)量的流體抬升，同時(shí)外層高動(dòng)量的流體下掃，這就是所謂的“抬升效應(yīng)”，在下游形成穩(wěn)定的條帶，如圖4（c），表現(xiàn)為高／低速區(qū)沿展向規(guī)則交替排列。

圖3 氫氣泡時(shí)間線法顯示的層流邊界層流動(dòng)（xxs=1000mm，y／δ=1.6）Fig.3 The laminar boundary layer flow visualized by hydrogen bubble timelines（x-xs=1000mm，y／δ=1.6）

圖4 展向離散抽吸法生成條帶機(jī)制Fig.4 Sketch of the mechanisms by which spanwise discrete suctions generate streaks

條帶沿流向發(fā)展主要體現(xiàn)為振幅的變化，條帶寬度（展向波長(zhǎng)）保持不變。某一流向位置條帶的振幅Ast定義為條帶的一個(gè)展向波長(zhǎng)內(nèi)最高和最低速度差值的一半在法向的極大值：

實(shí)驗(yàn)測(cè)得該極大值發(fā)生的法向高度y／δ=1.63（略低于粗糙元情況y／δ=2.2），沿流向基本保持不變。從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的條帶振幅沿流向變化結(jié)果圖5可看到，條帶振幅首先經(jīng)過(guò)短暫的增長(zhǎng)之后，達(dá)到最大值，表現(xiàn)出典型的瞬時(shí)增長(zhǎng)過(guò)程（transient growth），緊接著便逐漸衰減，這與粗糙元法生成的條帶相同。條帶的最大振幅決定于抽吸量，抽吸量越大，條帶振幅越大，如圖5中Q=2.83和0.944ml／s兩種情況比較。當(dāng)抽吸量Q=2.83ml／s時(shí)，生成的穩(wěn)定條帶最大振幅可高達(dá)28.4%U（見(jiàn)圖5），遠(yuǎn)高于相同條件下粗糙元方法能夠生成的最大振幅12%U，甚至超過(guò)理論預(yù)測(cè)的條帶穩(wěn)定的最大振幅26%U。當(dāng)抽吸量繼續(xù)增大，條帶失穩(wěn)，表現(xiàn)為非對(duì)稱破裂（亦稱正弦式破裂）。圖5還反映出盡管抽吸量不同，但生成的穩(wěn)定條帶的最大振幅都出現(xiàn)在幾乎相同的流向位置，對(duì)應(yīng)無(wú)量綱波數(shù)β=2πδ／Δz=0.45左右，與理論預(yù)測(cè)及粗糙元生成條帶結(jié)果相同［6］。在相同的平板模型和來(lái)流條件下，我們也進(jìn)行了粗糙元生成條帶實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的穩(wěn)定條帶最大振幅約為12.3%U，與Fransson實(shí)驗(yàn)吻合［6］。一方面驗(yàn)證了氫氣泡時(shí)間線法測(cè)量條帶振幅的可靠性，更證實(shí)了展向抽吸方法生成大振幅穩(wěn)定條帶的能力。本部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于提高條帶控制轉(zhuǎn)捩能力，發(fā)展高效轉(zhuǎn)捩控制技術(shù)有參考意義。

圖5 條帶振幅沿流向變化（Δz=20mm）Fig.5 Streamwise variation of the streak amplitude for streaks ofΔz=20mm

2.3 條帶對(duì)人工激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩的控制效果

2.3.1 人工激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩

人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩通過(guò)狹縫（見(jiàn)圖1）引入二維T-S波擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)。擾動(dòng)頻率f=0.83 Hz，同文獻(xiàn)［15］。狹縫處擾動(dòng)條件如圖6中“*”所示，對(duì)應(yīng)無(wú)量綱參數(shù)R=426，F(xiàn)=1.43×10-4。其中為當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)平方根，F(xiàn)=2πfν／U2為無(wú)量綱頻率?！?”下游水平直線表示實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的流向范圍（R=426～602），對(duì)應(yīng)x-xs=0～1000mm。作為參照，圖中同時(shí)給出中性穩(wěn)定性曲線，包括理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)多次測(cè)試，激發(fā)T-S波的信號(hào)發(fā)生器輸出電壓幅值選定為US=2.5V，一方面防止擾動(dòng)過(guò)小邊界層內(nèi)T-S波發(fā)展不夠充分無(wú)法實(shí)現(xiàn)激發(fā)轉(zhuǎn)捩，另一方面避免擾動(dòng)過(guò)強(qiáng)引起旁路轉(zhuǎn)捩。

圖6 人工激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩的擾動(dòng)條件及中性穩(wěn)定性曲線Fig.6 The perturbation to excite boundary layer transition together with the neutral stability curve

圖7的流動(dòng)顯示結(jié)果給出激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩過(guò)程中擾動(dòng)發(fā)展表現(xiàn)出的典型流動(dòng)形態(tài)。首先是T-S波的出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)圖7（a）中左半部分顯示出的流態(tài)，突出特證是沿流向時(shí)間線間距大小出現(xiàn)周期性變化，展向保持很好的二維性；然后，擾動(dòng)向下游發(fā)展生成Λ結(jié)構(gòu)（發(fā)卡渦），如圖7（a）中箭頭A和B所指；最后在遠(yuǎn)下游出現(xiàn)流動(dòng)紊亂化，如圖7（b）所示。更多人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩流動(dòng)細(xì)節(jié)參見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。

圖7 人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩過(guò)程中典型流動(dòng)結(jié)構(gòu)（y／δ=1.6）Fig.7 The typical flow structures in the excited boundary layer transition（y／δ=1.6）

2.3.2 條帶對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的控制和條帶參數(shù)影響

本部分實(shí)驗(yàn)在上述人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩邊界層中引入不同參數(shù)條帶，觀測(cè)條帶對(duì)轉(zhuǎn)捩的控制作用和條帶參數(shù)影響。選取Δz=14和28mm分析條帶寬度影響；在Δz=14mm條件下選取3個(gè)抽吸量Q來(lái)分析條帶振幅變化影響，各測(cè)試條帶的振幅見(jiàn)圖8，圖中只給出狹縫下游即引入T-S波后轉(zhuǎn)捩發(fā)展區(qū)的條帶幅值。

圖8 控制轉(zhuǎn)捩的條帶的振幅Fig.8 The amplitudes of the steaks used to control the transition

上述引入的都是穩(wěn)定條帶，即在基本邊界層中引入這些條帶不會(huì)發(fā)生條帶失穩(wěn)引起轉(zhuǎn)捩。圖9給出這些條帶被引入基本邊界層流動(dòng)后的典型流動(dòng)形態(tài)。圖9（a）給出在Δz=14mm和Q=1.36ml／s的條帶參數(shù)條件下，鉑絲位于x-xs=500和1000mm處的觀測(cè)結(jié)果。條帶流動(dòng)的典型特征表現(xiàn)得十分明顯，即高／低速區(qū)沿展向交替排列。相比之下，在x-xs= 500mm處條帶振幅更大，展向流動(dòng)變化更規(guī)則；在下游x-xs=1000mm處，由于條帶衰減，振幅明顯減小，且流動(dòng)沿展向變化的規(guī)律性減弱，但仍保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)。圖9（b）的流動(dòng)顯示結(jié)果對(duì)應(yīng)的是Δz= 28mm的條帶，流動(dòng)特征與Δz=14mm條帶情況類似，但條帶寬度增加，振幅增大，且在x-xs=1000mm處仍能夠保持規(guī)整的波形。

在2.3.1節(jié)所述的人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩邊界層中引入寬度Δz=14mm、振幅（對(duì)應(yīng)Q= 1.36ml／s）的條帶后，流動(dòng)顯示結(jié)果見(jiàn)圖10。這里為狹縫xs=1000mm處條帶振幅（參見(jiàn)圖8），為方便起見(jiàn)，在下面的結(jié)果對(duì)比中統(tǒng)一將作為引入的條帶振幅大小的度量。圖10（b）與圖7（b）在x-xs=1000mm處的流動(dòng)比較可以明顯看出，該條帶的引入完全抑制了人工激發(fā)轉(zhuǎn)捩在當(dāng)?shù)氐牧鲃?dòng)紊亂化，表現(xiàn)出與基本流動(dòng)中引入條帶類似的形態(tài)（圖9（a）中x-xs=1000mm處流動(dòng)）。進(jìn)一步，圖10（a）與圖7（a）在x-xs=200mm處流動(dòng)比較，表明條帶能夠抑制發(fā)卡渦的發(fā)展，此時(shí)擾動(dòng)表現(xiàn)為與引入的條帶相同展向波長(zhǎng)的三維擾動(dòng)，如圖10（a）中箭頭所示，這些擾動(dòng)向下游不會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成發(fā)卡渦，而是又恢復(fù)成穩(wěn)定的條帶流動(dòng)特征（圖10（b））。

為分析條帶振幅變化對(duì)轉(zhuǎn)捩的影響，圖11（a）和（b）分別給出Δz=14mm條帶的振幅分別降至=10%U和7%U（分別對(duì)應(yīng)Q=0.901和0.497ml／s）后，x-xs=1000mm處的流動(dòng)顯示結(jié)果。二者之間以及連同圖10（b）的比較表明振幅增大，條帶對(duì)流動(dòng)紊亂化的抑制作用增強(qiáng)，亦即延遲邊界層轉(zhuǎn)捩效果增強(qiáng)。

為分析條帶寬度影響，圖12（a）給出引入Δz= 28mm條帶時(shí)x-xs=1000mm處的氫氣泡顯示結(jié)果，與圖7（b）（未引入條帶）和圖10（b）（Δz=14mm）的比較可以判斷出：Δz=28mm條帶對(duì)流動(dòng)紊亂化同樣有抑制作用；但條帶寬度增大后，對(duì)流動(dòng)紊亂化的抑制作用減弱，盡管Δz=28mm條帶的振幅（23%U）比Δz=14mm條帶的振幅（13%U）要大。注意到與圖10（b）相比，圖12（a）中條帶寬度增大對(duì)抑制流動(dòng)紊亂化作用的減弱表現(xiàn)的不是十分顯著，為此，我們還嘗試了引入更寬的Δz=42mm條帶，結(jié)果如圖12（b）所示，在x-xs=1000mm處Δz=42mm條帶對(duì)流動(dòng)紊亂化的抑制作用明顯減弱，甚至在個(gè)別局部地區(qū)流動(dòng)紊亂化現(xiàn)象仍然存在，如圖12（b）中的2個(gè)箭頭所示位置。需要說(shuō)明的是，生成Δz=42mm條帶的抽吸量與Δz=28mm情況相同（Q=2.53ml／s），但由于寬度Δz過(guò)大，生成的條帶未能得到充分發(fā)展，高速區(qū)流速存在明顯的等值段，所以無(wú)法明確地給出條帶振幅。

圖9 穩(wěn)定條帶流動(dòng)形態(tài)（y／δ=1.6）Fig.9 Visualized flow of the steady streaks

圖10 轉(zhuǎn)捩邊界層中引入Δz=14mm和=13%U條帶后的流動(dòng)（y／δ=1.6）Fig.10 The visualized flow in the transitional boundary layer after the streaks ofΔz=14mm andAst*=13%Uwere introduced

圖11 Δz=14mm條帶不同振幅對(duì)轉(zhuǎn)捩過(guò)程流動(dòng)紊亂化的影響（x-xs=1000mm，y／δ=1.6）Fig.11 Influence of streak width variation on the flow breakdown during transition（x-xs=1000mm，y／δ=1.6）

圖12 不同條帶寬度對(duì)轉(zhuǎn)捩過(guò)程流動(dòng)紊亂化的影響（x-xs=1000mm，y／δ=1.6）Fig.12 Influence of streak spacing variation on the flow breakdown during transition（x-xs=1000mm，y／δ=1.6）

以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明利用展向離散抽吸方法引入穩(wěn)定條帶能夠有效抑制邊界層轉(zhuǎn)捩，從而為降低摩阻提供了一種可能的新途徑。需要指出的是，條帶的引入也會(huì)引起當(dāng)?shù)啬Σ翍?yīng)力的增加。Fransson等和Shahinfar等分別對(duì)此進(jìn)行了估算［8，16］，結(jié)果表明引入12%U中等振幅穩(wěn)定條帶后引起的摩擦阻力系數(shù)增大量小于3.5%，引入25%U大振幅穩(wěn)定條帶引起的摩擦阻力系數(shù)增大約12%，遠(yuǎn)小于相同條件下湍流的摩擦應(yīng)力（通常相比層流高一個(gè)量級(jí)）。因此，合理地設(shè)計(jì)引入條帶的位置（在邊界層轉(zhuǎn)捩位置上游不遠(yuǎn)處），完全能夠有效降低總的摩擦阻力。此外，這種離散抽吸方法的實(shí)際應(yīng)用還要考慮很多具體問(wèn)題，如實(shí)現(xiàn)吸氣需增加相應(yīng)裝置和控制系統(tǒng)，由此會(huì)增加航行器載荷以及可能帶來(lái)設(shè)計(jì)上的麻煩，需要對(duì)整體能效比進(jìn)行細(xì)致評(píng)估，這是所有主動(dòng)控制技術(shù)都必須考慮的問(wèn)題。本文僅在探索生成大振幅穩(wěn)定條帶的新方法及其對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的控制效果方面開(kāi)展了初步的、基礎(chǔ)性的研究工作。

3 結(jié) 論

發(fā)展了一種生成穩(wěn)定條帶的新方法，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了條帶控制人工激發(fā)邊界層轉(zhuǎn)捩和條帶參數(shù)影響研究，主要結(jié)論：

（1）展向離散抽吸是生成大振幅穩(wěn)定條帶的有效方法，能夠生成穩(wěn)定條帶的最大振幅可達(dá)28.4%U，遠(yuǎn)高于粗糙元法生成的穩(wěn)定條帶的最大振幅12%U，甚至超過(guò)穩(wěn)定條帶的理論預(yù)測(cè)振幅上限26%U。

（2）本實(shí)驗(yàn)引入的兩種寬度的穩(wěn)定條帶都對(duì)轉(zhuǎn)捩過(guò)程中流動(dòng)紊亂化進(jìn)程有抑制效果，起到抑制轉(zhuǎn)捩的作用。條帶振幅增大，抑制作用增強(qiáng)；條帶寬度（展向波長(zhǎng)）減小，對(duì)轉(zhuǎn)捩抑制效果更好。

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Experimental study on boundary-layer transition control by spanwise discrete suction

Guo Hui，Li Xiaobao，Wang Haiwen，F(xiàn)eng Yulong
（1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Key Laboratory of Fluid Mechanics（Beihang University），Ministry of Education，Beijing 100191，China）

Delaying boundary layer transition is an important way to reduce friction drag of vehicles in air and water.Introducing steady streaks upstream is a new idea proposed recently to delay transition.Available studies demonstrated that the steady streaks of higher amplitude have higher ability to depress T-S wave propagation，and thus are more effective in delaying transition.However，only relatively low amplitude steady streaks（12%U，whereUis the freestream velocity）can be obtained by the roughness elements method commonly used previously.This is because the generation of higher amplitude steady streaks needs higher roughness elements，which will lead to the bypass transition due to the stronger perturbation of vortex shedding caused by the elements.Moreover，recent theoretical studies show that there are some kinds of streaks wich do not suppress but instead promote the transition because of their acceleration of secondary instability.But this has not been verified by experiments yet.Thus，at least two problems are valuable to be studied for the flow control technique.One is to develop an effective method to generate higher amplitude steady streaks；the other is to test the control effect of different streaks on transition.In our studies，a new method，called spanwise discrete suction，has been developed to generate high amplitude steady streaks.Based on this，the streak control on the artificially excited transition in flat plate boundary layer has been studied using hydrogen bubble timeline method，by detecting the variation of perturbation evolution before and after the steady streaks introduced.The influences of streak spacing（corresponding to the suction hole spacing）and streak amplitude（depending on the suction intensity）are tested.The results show that spanwise discrete suction is an effective method to generate high amplitude streaks.The maximum amplitude of steady streaks generated by this method reaches as high as 28.4%U，evenhigher than the upper amplitude threshold value of 26%Upredicted theoretically for steady streaks.Moreover，both of the two steady streaks with spacing of 14mm and 28 mm introduced in our study suppress the flow breakdown，and thus delay the transition；The higher the streak amplitude or the narrower the streak spacing is，the more effective the streaks are in depressing the transition.

streaks；boundary layer；transition；flow control；hydrogen bubble method

O357.4；V211.1+9

：A

1672-9897（2014）06-0013-07doi：10.11729／syltlx20140027

（編輯：李金勇）

2014-03-04；

：2014-10-15

自然基金資助項(xiàng)目“條帶對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的影響和轉(zhuǎn)捩控制實(shí)驗(yàn)研究”（11072017）

GuoH，LiXB，WangHW，etal.Experimentalstudyonboundary-layertransitioncontrolbyspanwisediscretesuction.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：13-19.郭 輝，李小寶，王海文，等.展向離散抽吸法控制邊界層轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（6）：13-19.

郭 輝（1967-），男，河南唐河人，副教授。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。通信地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路37號(hào)，北京航空航天大學(xué)流體所（100191）。E-mail：guohui＠buaa.edu.cn