李斌斌, 姚 勇, 顧蘊松, 程克明(. 西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 600; . 南京航空航天大學, 江蘇 南京 006)

0 引 言

推力矢量技術是指通過偏轉發(fā)動機噴管或尾噴流的方向，從而獲得額外的操縱力矩。推力矢量技術可以代替或部分代替常規(guī)的操縱面，給飛行器的設計和作戰(zhàn)效能帶來顯著提升。推力矢量控制以及由此帶來的過失速機動、隱身性和超音速巡航并列成為第四代戰(zhàn)斗機的主要特征[1-2]。

推力矢量技術主要分為兩大類：機械式和流體式推力矢量[3]。美國Rockwell公司、Boeing公司和德國MBB公司通過在X-31發(fā)動機尾噴口安裝折流板的控制方案，利用折流板的轉向可以實現(xiàn)尾噴流的矢量控制。該方法的特點是無需對發(fā)動機做任何改裝，結構簡單，成本低，但需要龐大復雜的機械作動裝置，導致結構重量增加，同時伴隨高溫下的運動部件增多，對發(fā)動機的散熱帶來嚴重影響。

與機械式推力矢量控制相比，流體式推力矢量具有結構重量輕、易于控制、系統(tǒng)結構簡單、可靠性高的優(yōu)點，可使發(fā)動機性能得到大幅度提高[4- 5]。流體式推力矢量控制通常借助于引入的二次射流來影響主流的流態(tài)，從而實現(xiàn)主流的推力矢量控制。二次射流的矢量控制需要具有復雜的氣源供應和噴射系統(tǒng)，會使發(fā)動機的結構重量大大增加。此外，從發(fā)動機引氣進行二次射流矢量控制還會造成總推力損失。最近引入的合成射流概念為射流矢量控制提出了全新的選擇，與傳統(tǒng)的控制方式相比，合成射流控制具有“無源性”，同時具有微型化、零質量流率、控制部件簡單等優(yōu)點[6]。

合成射流技術是一種全新的流場主動控制方法，國內外一批科研機構和院校對其工作機理和流場特性等方面進行了大量研究[7-8]。作為一種典型的流動控制器，合成射流在流動分離控制[9]、增升/減阻控制[10]及非對稱渦控制[11]等領域具有重要的應用前景。目前，應用合成射流激勵器進行射流矢量偏轉控制也普遍受到重視[12]。合成射流控制技術為射流矢量控制提供了一種新的途徑，通過微尺度的射流注入并與主射流剪切層的相互作用，可以形成一個特殊的流動區(qū)域，從而對流動的邊界起到放大的控制作用，進而實現(xiàn)對大尺度主射流宏觀整體流動的矢量控制。

本文通過在二元矩形射流風洞出口兩側布置合成射流激勵器，在主射流未形成Coanda效應的前提下，利用合成射流非定常擾動“激發(fā)”誘導主射流剪切層，使主射流發(fā)生偏轉。結合PIV測試技術研究了合成射流在不同工作狀態(tài)下對低速主射流矢量偏轉控制的影響，探討其流動控制機理，進而為合成射流技術應用于推力矢量控制奠定基礎。

1 模型與試驗裝置

1.1 二元低速射流風洞

合成射流低速射流矢量偏轉控制在南京航空航天大學的低速射流風洞中進行，見圖1。射流出口尺寸為250 mm×50 mm，實驗中射流出口速度為10 m/s，得射流出口中心湍流度約為3‰。

圖1 二元低速射流風洞Fig.1 Two dimensional low speed jet wind tunnel

1.2 合成射流激勵器

圖2為設計的三縫矩形斜出口合成射流激勵器，腔體尺寸為250×250×80 mm3，射流出口長度L和寬度H分別為160 mm×5 mm，出口傾角θ為30°，相鄰出口間距S/H=1.6。合成射流工作時，由信號發(fā)生器產生正弦波信號，經功率放大器后驅動振動膜進行往復振動，在出口處產生合成射流控制流。

圖2 合成射流激勵器Fig.2 Synthetic jet actuator

1.3 射流矢量偏轉控制PIV實驗裝置

合成射流低速射流矢量偏轉控制PIV實驗裝置如圖3所示。

圖3 射流矢量偏轉控制實驗裝置Fig.3 Experiment installation of vector deflection control

激勵器布置在射流風洞出口兩側，為便于PIV流場測試，其余兩側采用玻璃進行固定和密封。實驗前利用總壓探針移動測得，當激勵器偏角為39°，主射流不受腔體壁板Coanda效應的影響。實驗采用美國TSI公司的PIV測試系統(tǒng)，測試精度為2%。并選用了香燃燒產生的煙粒子作為示蹤粒子，煙粒子的濃度和粒徑滿足測量要求。

2 試驗結果和分析

2.1 激勵器安裝角對主射流的影響

圖4給出了主射流速度為10 m/s，未施加合成射流控制時，主射流的尾流速度曲線隨激勵器安裝偏轉角θ的變化特性。

圖4 激勵器安裝角對主射流速度分布的影響Fig.4 Influence of actuator installation angle on the velocity distribution of the main jet

從圖中可以看出，當安裝角θ為12°時，由于主射流受腔體壁板Coanda效應的影響，射流的速度峰值由無控制時y/H=0移至y/H=1.0位置，射流偏轉角達到最大。當θ為24°時，主射流的速度峰值移至y/H=0位置，主射流已不受腔體壁板附壁效應的影響。此時利用合成射流來“激發(fā)”誘導主射流剪切層，即可實現(xiàn)矢量的偏轉控制。試驗中考慮到要實現(xiàn)兩側激勵器的“開—關”切換控制，選擇了激勵器偏轉角θ為39°的試驗工況。

2.2 激勵電壓對主射流矢量控制的影響

圖5給出了下側合成射流激勵器控制、主射流速度為10 m/s、頻率f=53 Hz、工作電壓變化時主射流偏轉的渦量圖和速度圖。

合成射流動量系數(shù)Cμ的計算：

其中：vsj為射流平均速度；S為風洞出口面積；Ssj為激勵器出口面積；u(t)為合成射流的瞬時平均速度；T為振動周期；U∞為主射流速度。

(a) 激勵器關

(b) Cμ=0.011

(c) Cμ=0.020

(d) Cμ=0.038

(e) Cμ=0.093

由圖5可以看出，當Cμ=0.011時，由于合成射流的射流能量較弱，主射流未發(fā)生明顯的偏轉現(xiàn)象。隨Cμ的逐漸增加，主射流逐漸向下發(fā)生偏轉，當Cμ=0.100時，從渦量圖和速度圖可看出，此時主射流已貼附于激勵器腔體的下壁面。說明在擾動頻率固定時，利用改變工作電壓的方式可以實現(xiàn)主射流矢量偏轉角的比例控制。

2.3 激勵頻率對主射流矢量控制的影響

圖6給出了上側合成射流激勵器控制，工作電壓U=8 V，利用PIV測得的頻率變化時主射流矢量偏轉的時均速度場。

從圖中可看出，在f=55 Hz附近(共振頻率)，主射流的偏轉控制效果最為顯著。隨頻率的繼續(xù)增加，控制頻率遠離激勵器的峰值能量區(qū)，合成射流對主射流的偏轉控制效果減弱。當f=130 Hz時，從尾流速度圖可看出，主射流呈現(xiàn)無偏轉現(xiàn)象。

(a) 激勵器關 (b) f=35 Hz

(c) f=55 Hz (d) f=70 Hz

(e) f=80 Hz (f) f=130 Hz

2.4 合成射流激勵器相互切換控制特性

圖7給出了電壓U=8 V，f=53 Hz，激勵器進行切換控制時，PIV獲取的主射流矢量偏轉瞬態(tài)速度場的變化過程。從圖中可以看出，當上側激勵器工作時，主射流向上側發(fā)生偏轉，隨后打開下側激勵器并同時關閉上側激勵器，此時主射流開始逐漸由上側向下側發(fā)生偏轉，且該過程是連續(xù)可控的。

(a) Case1 (b) Case2

(c) Case3 (d) Case4

(e) Case5 (f) Case6

3 結 論

設計了基于合成射流主動控制技術的低速射流矢量控制試驗裝置，初步實現(xiàn)了合成射流對宏觀低速主射流的矢量偏轉切換控制。結果表明：

1) 在主射流未形成Coanda效應時，利用合成射流非定常擾動來“激發(fā)”誘導主射流剪切層，可以實現(xiàn)主射流的矢量偏轉控制。

2) PIV時均流場表明，主射流偏轉控制隨電壓的增加逐漸增強，通過改變電壓的方法可實現(xiàn)偏轉角的比例控制。頻率對主射流的偏轉控制影響較大，在共振頻率下主射流的偏轉角最為顯著。

3) PIV瞬態(tài)流場表明，通過控制合成射流激勵器的“開-關”切換控制，可以實現(xiàn)主射流的矢量偏轉切換控制，且該過程是連續(xù)可控的。

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