李斌斌, 姚勇, 姜裕標(biāo), 黃勇, 顧蘊松, 程克明
1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 綿陽 621010 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所, 綿陽 621000 3.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院, 南京 210016
合成射流微擾動對后臺階湍流分離流動控制的實驗研究
李斌斌1,*, 姚勇1, 姜裕標(biāo)2, 黃勇2, 顧蘊松3, 程克明3
1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 綿陽 621010 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所, 綿陽 621000 3.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院, 南京 210016
后臺階流動是流體力學(xué)中一個經(jīng)典的研究課題,代表著工程中一類橫截面突擴的鈍體繞流問題。后臺階流動分離會導(dǎo)致一些不利的影響,如高速旋渦的形成、流動損失、壓力脈動以及氣動噪聲等?;陉嚵惺胶铣缮淞骷钇鲗ΧS矩形后臺階湍流分離再附流動控制進行了研究,綜合應(yīng)用表面測壓、七孔探針、粒子圖像測速儀(PIV)和熱線等多種實驗手段,獲取了后臺階的表面壓力分布和非定常流場結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:利用在臺階前緣形成的合成射流微擾動可使無量綱再附點長度降低25%,合成射流控制使得沿臺階下游的湍動能和雷諾應(yīng)力增強,提高了臺階下游流場的混合效率。熱線結(jié)果表明,頻率是后臺階分離流動控制的重要參數(shù),當(dāng)頻率為260 Hz,擾動頻率與剪切層渦脫落頻率之比為1.32 時,合成射流控制可使位于1/2倍頻的剪切層能量增強,僅需消耗較小的能量即可實現(xiàn)流動控制的目的。
后臺階; 合成射流; 主動流動控制; 再附點長度; 湍流流動
后臺階(Backward-Facing Step)流動是流體力學(xué)中一個經(jīng)典的研究課題,代表著工程中一類橫截面突擴的鈍體繞流問題[1-2]。后臺階流場亦稱為突張室流場,是典型的邊界層分離后再附之流場,由于其結(jié)構(gòu)簡單、堅固且流場性質(zhì)穩(wěn)定,在航空航天和流體傳輸?shù)裙こ填I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[3-4]。諸如駐焰器、燃燒室、擴張器、機翼與建筑物等,甚至在電子冷卻方面也具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。研究后臺階流動的意義不僅因其應(yīng)用廣泛,還在于后臺階流動包含了多種復(fù)雜的流動物理現(xiàn)象,如流動的轉(zhuǎn)捩、分離、再附及非定常等流體力學(xué)基本現(xiàn)象[5],具有流體力學(xué)研究的理論意義和應(yīng)用價值[6]。
流體繞后臺階的流動會產(chǎn)生流動分離,從而導(dǎo)致一些不利的影響,如高速旋渦的形成、流動損失、壓力脈動以及氣動噪聲等[7-8]。因此,有必要采取流動控制措施來抑制其分離流動。同時,為了更加深入和更好地利用后臺階流動,對后臺階的流動控制研究也是必不可少的。
對后臺階分離流動的控制研究可分為被動控制和主動控制兩大類。被動控制是在流場分離區(qū)中加入各種形狀的擾流片或渦發(fā)生器等裝置,利用在流場下游形成的流向渦系,提高流場的混合效率,從而降低分離區(qū)范圍。Park等[9]利用三角形擾流片形成了流向渦系,增加了流場的混合速度,使分離區(qū)減小20%以上。被動控制雖然方式簡單、可靠、無需能量消耗,但其僅增加了流場部分區(qū)域的動量交換,對流場中大多數(shù)區(qū)域的動量交換反而降低。
對后臺階流動的主動控制則是一種積極的控制思想,主動控制是在流場中直接加入合適的擾動模式,以與主流發(fā)生耦合,從而達到預(yù)期的控制效果。在以往的研究中,吹吸氣控制被廣泛應(yīng)用于后臺階的流動控制。陳國定和明曉[10]對不同吹吸氣位置,如臺階豎直壁面、臺階上游和圓角臺階上施加吹吸氣控制對后臺階的流動進行了研究,結(jié)果表明,上述方法均能有效減小再附點長度,控制再附區(qū)附近的摩擦應(yīng)力分布。Sano等[11]采用均勻吸氣對后臺階階腳處平行主流和臺階處垂直主流的后臺階流動進行了實驗研究,分析了吸氣流量系數(shù)對壁面壓力系數(shù)、再附點長度和流場結(jié)構(gòu)的影響。鄭朝榮等[12]對均勻吸氣控制下三維后臺階流動分離進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,該方法能夠吸除回流區(qū)中的低速流體,抑制流動分離和旋渦脫落,減小再附點長度和改善后臺階流場結(jié)構(gòu),且隨吸氣量的增加控制效果越顯著。Dejoan和Leschziner[13]對周期性振蕩射流控制下的后臺階流動分離進行了研究,分析了射流幅值和頻率對后臺階流場結(jié)構(gòu)的影響。Chun和Sung[14]利用振蕩射流產(chǎn)生的周期性尾渦結(jié)構(gòu)對后臺階分離再附流動進行了研究,結(jié)果表明,當(dāng)上游尾渦的脫落頻率的斯特勞哈爾數(shù)St為0.2時,可使平均再附點長度減小10%。
本文主要利用合成射流主動控制技術(shù),與上述流動控制方式相比,合成射流的產(chǎn)生無需額外氣源、無復(fù)雜控制閥門和管道等組件,使其兼?zhèn)淞私Y(jié)構(gòu)簡單緊湊、質(zhì)量輕、成本低及維護方便等諸多優(yōu)點。工作時的介質(zhì)全部來源于周圍環(huán)境流體,具有僅有對外輸出動量而輸出質(zhì)量為0的顯著特征。只需消耗極少的電能即可產(chǎn)生周期性的合成射流,且合成射流的射流速度和頻率易于控制,形成的合成射流非定常小擾動的控制頻率高。合成射流激勵器的出口位置位于臺階上游0.5h(h為臺階高度),在該位置開設(shè)有一排圓形小孔作為合成射流激勵器的射流出口,利用合成射流形成的非定常擾動對后臺階分離剪切層進行控制。實驗綜合應(yīng)用了表面測壓、七孔探針、粒子圖像測速儀(PIV)和熱線等多種實驗測試手段,研究了合成射流微擾動對后臺階再附點長度和回流區(qū)流場結(jié)構(gòu)的控制特性。
1.1 后臺階實驗?zāi)P?/p>
實驗?zāi)P蜑橐坏湫偷谋诚蚨S階梯結(jié)構(gòu),如圖1所示。臺階模型安裝于二元射流風(fēng)洞試驗段出口位置,入口截面寬250 mm,高H1=50 mm,臺階高度h為20 mm,突張室高度H2=70 mm,出口截面積為250 mm×70 mm。模型的寬高比AR為12.5,突張比ER為1.4,試驗風(fēng)速U∞=15 m/s,以臺階高度為參考長度的實驗雷諾數(shù)Reh為20 548。
圖1 后臺階實驗?zāi)P?/p>
Fig.1 Model of backward-facing step experiment
依照Brederode和Bradshaw[15]的實驗結(jié)果,當(dāng)臺階的寬高比AR大于10時,則可將其視為二維流動特性,本實驗的寬高比AR為12.5(大于10),故也可將其視為二維流場,且七孔探針沿x-y剖面的速度場測試結(jié)果也進一步驗證(見圖2),實驗?zāi)P蜐M足二維流動特性。
圖2 七孔探針時均速度場測試結(jié)果
Fig.2 Test results of average velocity field of seven-hole probe
實驗中定義由臺階底部連接突張室下壁面中心位置為坐標(biāo)原點,以三維卡氏坐標(biāo)系來定義,其中x軸代表流體沿主流流動方向,y軸代表流道突張方向縱坐標(biāo),z軸代表徑向坐標(biāo)。
1.2 陣列式合成射流激勵器
圖3為陣列式合成射流激勵器,主要由激勵器腔體、振動膜和陣列式圓形射流出口組成。
合成射流出口位置布置于距臺階前緣0.5h處,激勵器的腔體尺寸為200 mm×200 mm×80 mm,射流出口由13個直徑d=2 mm的圓孔射流出口組成,相鄰射流出口間距為10 mm,合成射流出口速度與主流方向垂直,所用揚聲器功率為40 W,8 Ω。
圖3 陣列式合成射流激勵器
Fig.3 Synthetic jet actuator arrays
1.3 測試技術(shù)和方法
1) 測壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
測壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國NI公司的測壓系統(tǒng),主要由:PXI-6284數(shù)據(jù)采集卡、信號輸入/輸出端子板、Labview軟件和數(shù)據(jù)采集電腦組成。單通道分辨率為18 bits,最大采樣率為625 kS/s,測壓傳感器量程為0.15 PSI。沿臺階底部中心位置下游0.5h位置,每隔0.5h臺階高度依次布置有40個直徑1.2 mm的靜壓孔。
2) PIV測試系統(tǒng)
PIV為美國TSI公司的二維PIV系統(tǒng),整個系統(tǒng)主要由PIVCAM10-30互相關(guān)CCD相機、雙脈沖激光器、同步控制器及Insight分析軟件組成。雙脈沖激光器的頻率為10 Hz,PIV測試系統(tǒng)的分辨率為2%,圖4為PIV實驗測試裝置。
圖4 PIV實驗測試裝置
Fig.4 PIV experiment set-up
實驗中由于CCD相機的平面測試區(qū)域僅為100 mm×80 mm,為了獲取后臺階流動的狹長回流區(qū)流場結(jié)構(gòu),實驗中進行了PIV流場的拼接測試,并對數(shù)據(jù)進行了組合化處理。
PIV實驗時,激光片光位置為對準(zhǔn)臺階中央位置且與射流出口垂直,即可照亮流體在經(jīng)過臺階后在臺階下游流動的區(qū)域。實驗中選用了香燃燒產(chǎn)生的煙粒子作為示蹤粒子,實驗前預(yù)先在風(fēng)洞動力段外的空腔容器中充滿煙粒子,待風(fēng)速穩(wěn)定后打開容器蓋,煙粒子在流經(jīng)動力段到實驗段的管道時會與主流進行充分摻混,經(jīng)測試煙粒子濃度滿足測量要求。
3) 熱線測試技術(shù)
利用熱線對合成射流后臺階流動控制的剪切層特性進行測試,熱線測試系統(tǒng)主要由單絲熱線探針(直徑為5 μm,長度為5 mm)、四路熱線風(fēng)速儀和日本小野公司的CF920動態(tài)信號分析儀組成。熱線探針由可控三維坐標(biāo)架進行控制,可實現(xiàn)步長為0.01 mm的控制精度,熱線實驗測試技術(shù)見圖5。
圖5 熱線實驗測試技術(shù)
Fig.5 Hot wire experiment technique
熱線探針的頻響為10 kHz,過熱比為1.5,熱線輸出信號經(jīng)由CF920頻譜分析儀進行16次平均處理,可得到熱線輸出的波形圖和功率譜。圖6 給出了熱線測得的實驗狀態(tài)下的剪切層渦脫落頻率與實驗范圍內(nèi)渦脫落頻率隨主流速度的變化情況。
圖6 熱線渦脫落頻率測試結(jié)果
Fig.6 Test results of shedding frequency of hot wire vortex
從圖6中可以看出,實驗狀態(tài)下的自由剪切層渦脫落頻率為197.5 Hz,說明流動在臺階位置發(fā)生分離后,是以高速運動的旋渦形態(tài)存在的。且在試驗范圍內(nèi),剪切層渦脫落頻率隨主流速度的變化近似呈線性關(guān)系,通過計算渦脫落頻率的斯特勞哈爾數(shù)St恒為一定值0.263。
2.1 后臺階流動特性的實驗研究
圖7為下壁面壓力系數(shù)Cp和脈動壓力系數(shù)分布。從圖7(a)中可看出,隨著雷諾數(shù)Reh的變化,壓力系數(shù)Cp的分布呈如下3個典型特征:① 在 0
圖7 下壁面壓力系數(shù)和脈動壓力系數(shù)分布
Fig.7 Lower wall pressure and fluctuating pressure coefficients distribution
從圖7(b)中可看出,隨著雷諾數(shù)Reh的變化,脈動壓力系數(shù)Cprms最大值集中位于臺階下游6h~8h位置,此結(jié)果與文獻[16]中提到的,當(dāng)雷諾數(shù)Reh>6 600時,臺階上游的流動進入湍流狀態(tài),再附點長度變化與雷諾數(shù)無關(guān)的結(jié)果相一致。
圖8為PIV測得的后臺階流動的時均速度流線圖和渦量分布圖??梢钥闯觯瑫r均化的流場中僅存在一個比較大的、完整的、貼近臺階下壁面的狹長回流區(qū),范圍在1 圖8 PIV時均流場速度和渦量分布 Fig.8 PIV average flow field velocity and vorticity distribution 從圖8中還可看出:① 在x/h<3區(qū)域,流線與臺階基本平行,但稍有彎曲,呈現(xiàn)出類似平面自由剪切層的渦結(jié)構(gòu),該區(qū)域的流動受臺階下壁面的影響?。虎?3 2.2 合成射流對XL/h再附點長度的控制特性 以激勵電壓U=5 V為例,圖9(a)給出了利用總壓探針和壓力傳感器測量的合成射流速度(Vsj)隨激勵頻率的變化曲線,可以看出,合成射流速度隨激勵頻率的變化具有選頻特性。圖9(b)給出了合成射流控制時無量綱再附點長度XL/h隨激勵頻率f的變化曲線,頻率以自由剪切層渦脫落頻率fs為參考進行了無量綱化處理。注:再附點長度XL是利用一對外徑?1.2 mm的不銹鋼探針管設(shè)計加工成的內(nèi)徑?0.5 mm前后總壓孔構(gòu)成的壓差監(jiān)測傳感器測得,根據(jù)探針在沿臺階位置向下游進行游測中測得的壓差曲線的零點位置確定再附點長度。 圖9 合成射流速度隨f和再附點長度隨f/fs的變化特性 Fig.9 Change characteristics of synthetic jet velocity with f and reattachment length with forcing frequency f/fs 從圖9中可以看出,無量綱再附點長度XL/h隨激勵頻率的變化呈現(xiàn)波動特征。在激勵頻率f/fs=0.71和f/fs=1.32時,無量綱再附點長度XL/h達到最小。與無激勵f/fs=0時相比,再附點長度降低了25%。不同之處在于:當(dāng)激勵頻率f/fs=0.71時,合成射流速度最大,射流能量最強;而當(dāng)激勵頻率f/fs=1.32時,合成射流能量較弱。 為了對這一現(xiàn)象加以驗證,圖10給出了沿臺階中心位置底層,熱線測得的底層速度和均方根(RMS)值沿下游的變化情況??梢钥闯?,在臺階下游6h~8h范圍內(nèi)的合成射流控制恢復(fù)區(qū),與無激勵時相比,合成射流控制時底層速度得到恢復(fù),在激勵頻率f/fs=1.32時,底層速度變化量最顯著。從均方根值沿臺階下游的變化可知,合成射流控制時均方根值最大值位置向臺階位置移動,當(dāng)頻率f/fs=1.32時,均方根值的峰值位置由無控制時的x/h=8移至x/h=6位置,降低了25%,與總壓探針監(jiān)測結(jié)果相一致。 圖11給出了激勵電壓U=5 V,激勵頻率f/fs=0.71和f/fs=1.32時,合成射流控制時PIV時均流場,包括速度流線圖和渦量分布云圖。 圖10 底層速度和均方根(RMS)值沿下游變化 Fig.10 Downstream changes of bottom velocity and root mean square (RMS) 圖11 合成射流控制的PIV時均流場 Fig.11 PIV average flow field under control of synthetic jet 從圖11所示的速度流線圖中可以看出,合成射流控制時臺階下游的回流區(qū)長度由無控制時x/h=8移至x/h=6位置,再附點長度減小。在x/h<3區(qū)域,流線基本與臺階位置平行。在x/h>3區(qū)域,合成射流控制時流線的彎曲程度增加,自由剪切層的旋渦強度逐漸減弱。 圖12給出了合成射流控制時,采用PIV測得的每個相位下的50張粒子圖像進行湍動能和雷諾應(yīng)力計算后,再進行相位平均化處理得到的湍動能和雷諾應(yīng)力分布,并給出了位于臺階下游x/h=4位置處,合成射流控制發(fā)展區(qū)的曲線分布。 圖12 湍動能和雷諾應(yīng)力的變化 Fig.12 Changes of turbulence energy and Reynolds stress 由圖12可以看出,在合成射流的控制影響發(fā)展區(qū)內(nèi),沿臺階下游的湍動能和雷諾應(yīng)力增強,當(dāng)激勵頻率f/fs=1.32時,合成射流控制效果最顯著,說明利用在臺階前緣形成的合成射流微擾動,提高了下游流場的混合效率,使得再附點長度降低,關(guān)于其控制機理將在2.3節(jié)中加以解釋。 2.3 合成射流控制特性分析 基于對合成射流后臺階控制的表面壓力和PIV實驗分析,結(jié)果表明,利用在臺階前緣形成的合成射流微擾動可有效降低再附點長度,改善臺階下游回流區(qū)流場結(jié)構(gòu)、湍動能和雷諾應(yīng)力分布,但此頻率并不是激勵器的共振頻率,且消耗的射流能量也較低,為了對這一現(xiàn)象加以解釋,采用熱線對合成射流控制時的剪切層特性進行了測試,熱線測試位置位于臺階下游(x=1.63h,y=1.04h)位置,圖13給出了激勵電壓U=5 V,合成射流控制時熱線測試結(jié)果,包括剪切層特性隨激勵頻率變化的波形圖和功率譜特性。 從圖13(b)~圖13(k)可以看出,隨激勵頻率的增加,合成射流的擾動開始起主控作用,從波形圖中可以看出,當(dāng)激勵頻率f/fs=0.71時,剪切層的能量也最強,從對應(yīng)的功率譜可以看出,合成射流僅使控制頻率下對應(yīng)的尖峰能量增強,而剪切層的特性并沒有發(fā)生改變。說明在流動不敏感區(qū)域,即使選用最優(yōu)射流頻率,也不能達到顯著的流動控制效果,剪切層的能量增強主要是由合成射流的動量注入引起的。 隨激勵頻率的繼續(xù)增加,當(dāng)f/fs=1.32時,從波形圖可以看出,剪切層的能量要強于f/fs=0.71時的射流能量峰值頻率,從功率譜可以看出,合成射流使得位于1/2倍頻下的剪切層能量增強,說明此時合成射流產(chǎn)生的非定常擾動與流場中分離剪切層的相互作用最強,2種流體的頻率相當(dāng),剪切層對擾動起到了放大作用,擾動效能最顯著,合成射流的控制增益最明顯。而當(dāng)擾動頻率與流場中分離剪切層頻率相比較低或較高時,盡管合成射流的擾動較強,但2種擾動的相互干擾作用不敏感,從而沒有達到顯著改善流場特性的目的。此時僅是通過依靠射流能量對后臺階流動分離進行控制,必定會消耗更多的射流能量。 表1給出了合成射流控制時,無量綱再附點長度XL/h與合成射流動量系數(shù)Cμ的關(guān)系。從表1中可以看出,激勵頻率f/fs=0.71與f/fs=1.32相比,雖然均可達到相同的控制效果,使再附點長度減小約25%,但頻率f/fs=1.32時,對應(yīng)的合成射流平均速度Vsj也較低,僅為f/fs=0.71最大射流速度的1/4,所消耗的合成射流動量也僅為射流能量峰值頻率下的1/18,這種內(nèi)在的頻率控制機制將是今后主動流動控制研究的重要方向。 圖13 合成射流控制時熱線測試結(jié)果 Fig.13 Hot wire test results under control of synthetic jet 表1 再附點長度與合成射流動量系數(shù)的關(guān)系 Table 1 Relationship between reattachment length and synthetic jet momentum coefficient f/fsVsj/(m·s-1)CμXL/hΔXLh/%Nocontrol6.900.7113.580.002685.34231.323.220.000155.1525 1) 合成射流控制使得沿臺階下游的湍動能和雷諾應(yīng)力增強,提高了臺階下游流場的混合效率,使得再附點長度降低。 2) PIV和熱線的實驗結(jié)果表明,射流頻率存在一個較窄的區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)合成射流激勵器產(chǎn)生的非定常擾動與流場中分離剪切層的相互作用最強,合成射流的控制增益最顯著,控制時僅需消耗較小的能量即可實現(xiàn)流動控制的目的。較小、較高的射流頻率效果均較弱,最優(yōu)的無量綱射流頻率在1.32附近,這種頻率控制機制將是今后主動流動控制研究的重要方向。 [1] EATON J K, JOHNSTON J P. 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Tel.: 0816-2461214 E-mail: libinbin-8@163.com Experiment research of active flow control of turbulent separatedflow on backward-facing step using synthetic jet perturbation LI Binbin1,*, YAO Yong1, JIANG Yubiao2, HUANG Yong2, GU Yunsong3, CHENG Keming3 1.SchoolofCivilEngineeringandArchitechture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China2.LowSpeedAerodynamicsResearchInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China3.CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China Backward-facing step flow is typical in the research of fluid mechanics and it mainly investigates the sudden expansion of cross-sectional flow around a bluff body. Backward-facing step flow separation will lead to some adverse effects, such as high-speed vortex formation, flow losses, pressure pulsation and aerodynamic noise. Experimental investigation on separated reattachment flow control of two-dimensional backward-facing step turbulence with synthetic jet arrays is conducted. The unsteady flow field structure of a backward-facing step and surface pressure distribution are measured with seven-hole probes particle image velocimetry (PIV), hot wire anemometer, and pressure transducers as well. The results show that the perturbation of synthetic jet which is formed at the upper edge of the step can effectively decrease the non-dimensional length of reattachment flow by about 25% at most, and synthetic jet control increases the turbulent kinetic energy and Reynolds stress along the downstream steps and enhances the mixing efficiency of the flow field. The hot wire results show that frequency is a key parameter of backward facing step flow separation control; when the disturbance frequency is 260 Hz, the ratio of disturbance frequency to shear layer vortex shedding frequency is 1.32,the synthetic jet control can be applied to enhancing the energy of separated shear layer at a half of disturbance frequency and the flow control can be achieved only with low consumption of energy. backward-facing step; synthetic jet; active flow control; reattachment length; turbulent flow 2015-01-30;退修日期:2015-05-05;錄用日期:2015-07-01; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間: 時間: 2015-09-01 14:29 www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150901.1429.010.html 空氣動力學(xué)國家重點實驗室基金 (JBKY14010201) .Tel.: 0816-2461214 E-mail: libinbin-8@163.com 李斌斌, 姚勇, 姜裕標(biāo), 等. 合成射流微擾動對后臺階湍流分離流動控制的實驗研究[J].航空學(xué)報, 2016, 37(2): 545-554. LI B B, YAO Y, JIANG Y B, et al. Experiment research of active flow control of turbulent separated flow on backward-facing step using synthetic jet perturbation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 545-554. http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn 10.7527/S1000-6893.2015.0192 V211.7 : A : 1000-6893(2016)02-0545-10 *3 結(jié) 論