吳瀚，王建宏，黃偉，杜兆波，顏力

國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073

在超聲速/高超聲速流動(dòng)中，存在激波、膨脹波、邊界層等流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用。激波/邊界層干擾就是其中一種，F(xiàn)erri[1]于1939年首次在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，此后人們對(duì)這一現(xiàn)象開展了大量的研究工作。其廣泛發(fā)生在超聲速/高超聲速飛行器外表面、跨聲速翼型表面、運(yùn)載火箭的外表面、超聲速/高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)以及隔離段和燃燒室內(nèi)等位置。

在超聲速/高超聲速飛行器的內(nèi)部和外部流場(chǎng)中,激波/邊界層干擾將導(dǎo)致流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)激波波系的顯著變化,使得流動(dòng)在壁面分離,產(chǎn)生流場(chǎng)畸變, 造成大量能量損耗, 并使得總壓恢復(fù)降低[2-4]。同時(shí)激波/邊界層干擾會(huì)使流場(chǎng)發(fā)生非定常振蕩、飛行器局部氣動(dòng)力、熱載荷過(guò)高等嚴(yán)重情況，還可能導(dǎo)致吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)氣流邊界層增厚、流道出現(xiàn)“壅塞”，甚至導(dǎo)致進(jìn)氣道不起動(dòng),影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[5-7]。在高超聲速飛行器的相關(guān)研究中，激波/邊界層干擾是必須引起重視的主要問(wèn)題。因此對(duì)激波/邊界層干擾進(jìn)行控制, 有利于高速飛行器安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

流動(dòng)控制是應(yīng)用流體技術(shù)中最主要的研究領(lǐng)域，隨著認(rèn)識(shí)水平和工程技術(shù)的發(fā)展，流動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)取得了許多重要的突破。現(xiàn)有的激波/邊界層控制方法主要包括微型渦流發(fā)生器(Micro Vortex Generator，MVG)、邊界層抽吸、壁面鼓包以及脈沖射流、磁流體控制、等離子體控制等控制方法。

盡管當(dāng)前有多種控制方式，且研究人員也更傾向于研究流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能夠產(chǎn)生反饋的主動(dòng)控制系統(tǒng)；但最有效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程應(yīng)用安全的方法還是以MVG為主。同時(shí)，由于其應(yīng)用范圍廣，安全風(fēng)險(xiǎn)低，在飛行中出現(xiàn)脫落產(chǎn)生異物的風(fēng)險(xiǎn)很低，因而可以應(yīng)用于超聲速/高超聲速飛行器的進(jìn)氣道內(nèi)。

MVG雖然以被動(dòng)控制為主，但可以作為主/被動(dòng)一體控制的重要組成部分。MVG及其組合體是近些年來(lái)超聲速/高超聲速飛行器內(nèi)外流動(dòng)中最有工程應(yīng)用前景的激波/邊界層干擾控制方式，并成為當(dāng)下激波/邊界層干擾控制研究的熱點(diǎn)。因此本文總結(jié)了近期激波/邊界層干擾的研究以及微型渦流發(fā)生器及其組合體控制激波/邊界層干擾的研究進(jìn)展情況。

1 激波/邊界層干擾

激波/邊界層干擾(Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SWBLI)通常發(fā)生在超聲速和高超聲速流動(dòng)中。如圖1[8]所示，入射激波停止在邊界層內(nèi)的聲速線上，使得激波后的高壓由邊界層內(nèi)的亞聲速區(qū)域傳播到上游。由于邊界層抵抗逆壓梯度的能力較弱，使得邊界層厚度增加，干擾區(qū)域內(nèi)流體速度減慢，造成流動(dòng)的總壓損失并產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象[8-9]。

圖1 激波/邊界層干擾示意圖[8]

根據(jù)對(duì)流場(chǎng)干擾的特性分析側(cè)重，可以分為干擾流場(chǎng)時(shí)均特性分析和動(dòng)態(tài)特性分析。

1.1 時(shí)均干擾流場(chǎng)特性分析

對(duì)干擾流場(chǎng)時(shí)均特性進(jìn)行分析，能夠更加清晰地分析干擾流場(chǎng)組織結(jié)構(gòu)，有利于工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。

王博[10]分析了SWBLI流場(chǎng)與理論無(wú)黏激波反射中波系結(jié)構(gòu)及主流參數(shù)的差異,對(duì)比研究了不同入射激波強(qiáng)度下SWBLI流場(chǎng)時(shí)均波系結(jié)構(gòu)、邊界層形態(tài)及分離區(qū)尺度的變化，并基于雷諾平均對(duì)SWBLI流場(chǎng)流向動(dòng)量平衡進(jìn)行分析,確認(rèn)了壓力梯度與當(dāng)?shù)貏?dòng)量平衡在SWBLI流場(chǎng)中的主導(dǎo)作用。

Zhou等[11]基于二維數(shù)值模擬，分別得到了低馬赫數(shù)和高馬赫數(shù)2個(gè)分離長(zhǎng)度模型，來(lái)流馬赫數(shù)的范圍為2≤Ma≤7。但是，在他們的研究中并未考慮激波/邊界層干擾的三維情況。

2018年，Vanstone等[12]試驗(yàn)研究了在馬赫數(shù)為2的流場(chǎng)中，不同壓縮角的2個(gè)中等后掠壓縮斜坡產(chǎn)生的SWBLI平均流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這也是第一批使用PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)研究后掠壓縮斜坡流場(chǎng)的研究之一。研究發(fā)現(xiàn)，分離區(qū)域外的流向速度分量和體表的流動(dòng)特征能同時(shí)達(dá)到準(zhǔn)錐形狀態(tài)，而分離區(qū)內(nèi)的速度流向分量和橫向分量需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)準(zhǔn)錐形狀態(tài)，表明低量級(jí)速度分量的起始區(qū)域?qū)嶋H上大于先前的假設(shè)。

Yue等[13]研究了唇罩激波對(duì)簡(jiǎn)單斜坡型高超聲速進(jìn)氣道再起動(dòng)特性的影響。唇罩激波強(qiáng)度是決定進(jìn)氣道再起動(dòng)的關(guān)鍵因素，更強(qiáng)的唇罩激波會(huì)導(dǎo)致更大的分離氣泡和更高的壓力損失，從而降低進(jìn)氣道的再起動(dòng)能力。他們通過(guò)試驗(yàn)確定了唇罩角度的敏感范圍為7°～9°，并提出了一個(gè)多段無(wú)合并唇罩激波的設(shè)計(jì)概念，且驗(yàn)證其能顯著提高進(jìn)氣道的再起動(dòng)能力。

2019年，F(xiàn)underburk和Narayanaswamy[14]研究了來(lái)流馬赫數(shù)2.5的情況下，負(fù)彎曲壓縮斜坡處產(chǎn)生的SWBLI。斜坡安裝在一個(gè)半圓形空心圓柱的內(nèi)表面，如圖2所示，通過(guò)與具有相同斜面角的平面情況進(jìn)行比較，闡明了與平面斜坡相比，負(fù)彎曲斜坡顯著增加了分離尺寸。

圖2 半隔離模型和平面斜坡模型的等軸視圖[14]

Pasha和Juhany[15]研究了來(lái)流馬赫數(shù)12.2的雙錐體表面流場(chǎng)下層流高超聲速SWBLI中壁溫對(duì)分離泡尺度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著壁溫升高，分離泡的尺寸以及分離激波的長(zhǎng)度均增加。

Huang及其團(tuán)隊(duì)[16]為了節(jié)省計(jì)算成本，提出了一種基于平均流動(dòng)劃分的工程方法來(lái)預(yù)測(cè)SWBLI入射區(qū)域壓力波動(dòng)的分布。

1.2 動(dòng)態(tài)干擾流場(chǎng)特性分析

同時(shí)，分離過(guò)程通常不穩(wěn)定并導(dǎo)致流場(chǎng)產(chǎn)生大規(guī)模非定常振蕩[17]，而且其通常與分離激波的低頻振蕩相關(guān)，其頻率遠(yuǎn)低于來(lái)流的湍流邊界層[18]。

2015年，Gaitonde[19]從流場(chǎng)低頻振蕩[20]、傳熱預(yù)測(cè)能力、復(fù)雜相互作用現(xiàn)象和流動(dòng)控制技術(shù)4個(gè)方面總結(jié)了激波/邊界層相互作用研究的最新進(jìn)展。然而，激波/邊界層干擾控制在其工作中占比很小，并且沒(méi)有在激波/邊界層干擾的智能控制方面開展研究。

Huang和Estruch-Samper[21]試驗(yàn)研究了馬赫數(shù)為3.9的軸對(duì)稱湍流邊界層上的典型表面不連續(xù)性引起的大規(guī)模后掠激波/湍流邊界層干擾的低頻振蕩。Pasquariello等[22]也分析了高雷諾數(shù)流動(dòng)下的激波/湍流邊界層干擾中劇烈流動(dòng)分離的典型頻率和低頻率動(dòng)力學(xué)。Clemens和Narayanaswamy[23]在其綜述中聲稱，最近提出的剪切層夾帶-再補(bǔ)給機(jī)理應(yīng)該可以充分地描述低頻動(dòng)力學(xué)。

2018年，Knight和Mortazavi[24]回顧了自1993年以來(lái)的高超聲速激波/邊界層干擾研究，他們發(fā)現(xiàn)直接數(shù)值模擬(DNS)方法是獲得平均和波動(dòng)氣動(dòng)熱負(fù)荷最有效的預(yù)測(cè)方法。但是使用該方法的計(jì)算成本和時(shí)間消耗都非常大。Vyas等[25]使用解析壁面層的大渦模擬來(lái)模擬激波/邊界層之間的相互作用，以檢查雷諾應(yīng)力分布。

為了正確地預(yù)測(cè)分離區(qū)的大小，Hao和Wen[26]研究了振動(dòng)不平衡性對(duì)低總焓下高超聲速雙錐和空心圓柱火焰流的影響，并考慮了3種不同的流動(dòng)模型，分別為完全氣體與振動(dòng)非平衡態(tài)氣體的混合物、完全氣體與具有不同模式振動(dòng)非平衡的混合物以及完全氣體和量熱完全氣體的混合物。

2020年，孫東等[27]采用DNS方法研究了激波/邊界層干擾中強(qiáng)展向振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)展向振蕩作用會(huì)使流動(dòng)提前分離；由于振蕩穿透深度較淺，因此對(duì)整體流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響不大，但會(huì)對(duì)壁面附近造成較大影響。

隨著對(duì)激波/邊界層干擾現(xiàn)象研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)如何通過(guò)流動(dòng)控制的方法避免激波/邊界層干擾帶來(lái)的不良影響，對(duì)于理論研究和工程實(shí)踐都非常重要。

2 微型渦流發(fā)生器控制研究進(jìn)展

為了降低激波/邊界層干擾所引發(fā)的負(fù)面作用，需要使用流動(dòng)控制的方法來(lái)解決問(wèn)題。流動(dòng)控制的位置可以在激波/邊界層干擾位置之前或發(fā)生干擾的作用點(diǎn)，從而對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行操縱或調(diào)整；從控制的流動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)看可以分為控制激波和控制邊界層。目前應(yīng)用較為廣泛的方法是控制邊界層，通過(guò)改變?cè)诩げ?邊界層相互作用點(diǎn)以及之前的近壁流場(chǎng)，達(dá)到防止或減小激波引起流動(dòng)分離的目的。

流動(dòng)控制的類型主要分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制，其中被動(dòng)控制包括邊界層抽吸[28-30]、壁面鼓包[31-33]、微型渦流發(fā)生器等方法。主動(dòng)控制包括吹除控制[34]、射流控制[35-39]、磁流體控制[40-41]、等離子體控制[42-44]等。盡管目前控制方式多種多樣，研究人員也更傾向于研究可以主動(dòng)控制且有反饋的復(fù)雜流動(dòng)控制系統(tǒng)，但最有效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程應(yīng)用安全的方法還是以微型渦流發(fā)生器為主。由此，微型渦流發(fā)生器及其組合體是近些年來(lái)超聲速/高超聲速飛行器進(jìn)氣道中最有應(yīng)用前景的控制方式，并成為SWBLI控制研究的熱點(diǎn)。

2.1 MVG在內(nèi)部流場(chǎng)中的控制研究進(jìn)展

渦流發(fā)生器(Vortex Generator，VG)于1947年提出，目的是防止因氣流分離而使飛行器偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)[45]。自出現(xiàn)以后被廣泛的研究和使用，逐漸成為現(xiàn)有飛機(jī)邊界層分離控制中常用的被動(dòng)控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的VG高度一般與邊界層高度相當(dāng)或者略高于邊界層，應(yīng)用于超聲速情況下時(shí)存在附加阻力過(guò)大且對(duì)主流產(chǎn)生的擾動(dòng)過(guò)強(qiáng)等問(wèn)題，因此提出了減小VG尺寸的發(fā)展思路。

微型渦流發(fā)生器是一種有效的流動(dòng)控制裝置，相對(duì)于傳統(tǒng)的VG，其尺寸大大減小，高度一般為邊界層高度的10%～70%，其通過(guò)尾流產(chǎn)生的流向旋渦對(duì)將邊界層上層的高能氣流卷入邊界層底層并與底層低能氣流摻混，從而提高邊界層底部低速區(qū)的動(dòng)量，提升其抗逆壓力梯度能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層分離的控制，在超聲速/高超聲速飛行器的內(nèi)外流動(dòng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。并且，由于高度比當(dāng)?shù)剡吔鐚拥暮穸纫。沟梦⑿蜏u流發(fā)生器的附加阻力很小，有利于減小非控制狀態(tài)下的流動(dòng)阻力，并能夠很大程度上減小渦流發(fā)生器的局部熱載荷。

張悅等[46]將常見的微型渦流發(fā)生器總結(jié)為以下幾種:斜坡式MVG(Microramp)、翼片式MVG(Microvane)、魚骨式MVG(Wishbone type)以及多片惠勒葉片式MVG(Wheeler vanes)，如圖3所示。其中，斜坡式MVG由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且熱防護(hù)相對(duì)容易，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)流動(dòng)控制技術(shù)。

圖3 幾種微型渦流發(fā)生器[46]

Babinsky等[47]通過(guò)試驗(yàn)研究了MVG的控制性能。采用斜坡高度為邊界層厚度30%～90%之間的不同幾何尺寸的微型斜坡式渦流發(fā)生器在馬赫數(shù)2.5的流動(dòng)中減小分離。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，一般的流動(dòng)特征會(huì)隨著斜坡高度的變化而變化，因此需要將微型渦流發(fā)生器放置在預(yù)期中不能抵抗逆壓梯度的地方。最大的斜坡尺寸具有最強(qiáng)的影響；然而，它也產(chǎn)生了最大的動(dòng)量虧損(即阻力)。最小的裝置高度能夠產(chǎn)生幾乎相似的有益效果，而不會(huì)產(chǎn)生顯著的裝置阻力。該研究的局限在于未找到滿足控制需求的最小尺度MVG。通過(guò)壁面油流試驗(yàn)觀察獲得了微型斜坡式渦流發(fā)生器的精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及下游流場(chǎng)的發(fā)展。

如圖4[47]所示，當(dāng)流體流過(guò)斜坡時(shí)會(huì)產(chǎn)生2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的初級(jí)渦旋；斜坡側(cè)壁面和平板下壁面的交界處以及斜坡頂部邊緣處會(huì)產(chǎn)生次級(jí)渦旋；斜坡前緣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的馬蹄渦。初級(jí)渦旋將使邊界層內(nèi)低能流體向上翻卷，上方高能流體卷入邊界層，并在一定距離后耗散，如圖5[47]所示。

圖4 MVG的主要流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[47]

圖5 MVG流場(chǎng)流向發(fā)展圖[47]

Ford和Babinsky[48]研究了在來(lái)流馬赫數(shù)2.5的情況下，斜坡式MVG對(duì)斜激波/邊界層干擾的控制機(jī)理，通過(guò)4組不同高度的斜坡式MVG試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同高度下的MVG流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，都會(huì)產(chǎn)生一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的高能渦旋并減小當(dāng)?shù)剡吔鐚雍穸?。將斜坡式MVG安裝在干擾區(qū)的上游時(shí)控制效果較優(yōu)。雖然還未消除流動(dòng)分離，但原先的二維分離已經(jīng)被分解為周期性的三維分離區(qū)，減小了分離尺度并增強(qiáng)了分離區(qū)內(nèi)的壓力梯度。

該研究還發(fā)現(xiàn)，在馬赫數(shù)2.5的流動(dòng)情況下，MVG單獨(dú)控制激波/邊界層干擾的能力有限，并提出了將MVG和邊界層抽吸結(jié)合起來(lái)的設(shè)想。該研究局限在于，并未探明馬赫數(shù)2.5情況下的斜坡式MVG控制效果不如其他控制方式的原因，以及并未提出最佳的MVG設(shè)計(jì)參數(shù)。

Blinde等[49]設(shè)計(jì)了來(lái)流馬赫數(shù)1.84情況下單排陣列和交錯(cuò)陣列的斜坡式MVG控制方案，并通過(guò)立體PIV技術(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)MVG的頂點(diǎn)下游會(huì)產(chǎn)生多組獨(dú)立渦旋對(duì)，在時(shí)均情況下類似于一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦旋。單排陣列式和交錯(cuò)陣列式分別能降低分離長(zhǎng)度的20%和30%，其中單排陣列式MVG方案如圖6所示，證明了該方案的可行性并發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)陣列MVG可以有效降低干擾中的非定常特性。

圖6 單排陣列式MVG流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[49]

Shinn等[50]進(jìn)行了斜坡式MVG改善超聲速進(jìn)氣道起動(dòng)性能的研究。在馬赫數(shù)2.0情況下能穩(wěn)定工作的進(jìn)氣道，當(dāng)未控制時(shí)，將來(lái)流馬赫降低到1.8，進(jìn)氣道不起動(dòng)；而在安裝斜坡式MVG后進(jìn)氣道恢復(fù)了起動(dòng)，并且緩解了進(jìn)氣道內(nèi)的激波振蕩。盡管微型渦流發(fā)生器對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)激波/邊界層干擾的控制能力已被證實(shí)，但是，其控制能力仍然有限，且該研究并未建立MVG的設(shè)計(jì)參數(shù)與改善進(jìn)氣道起動(dòng)性能間的聯(lián)系。

因此，各類針對(duì)MVG設(shè)計(jì)參數(shù)的研究逐漸展開。Zhang等[51]提出了一種大后掠斜坡式MVG陣列的控制方法，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該種MVG確實(shí)能夠有效控制激波誘導(dǎo)的邊界層分離。如圖7所示，在使用時(shí)該渦流發(fā)生器陣列置于激波/邊界層干擾區(qū)間，激波撞擊到大后掠的斜坡后部，該MVG特殊的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)出“預(yù)增壓效應(yīng)”“分割效應(yīng)”“限流效應(yīng)”“摻混效應(yīng)”，有效抑制了激波沖擊點(diǎn)附近的逆壓梯度，減小邊界層分離并促進(jìn)分離流動(dòng)的再附。

圖7 大后掠斜坡式MVG[51]

2018年，張悅等[52]在大后掠MVG的基礎(chǔ)上增加了形狀記憶合金，設(shè)計(jì)了能夠控制不同來(lái)流情況的可變形大后掠MVG，并將其與進(jìn)氣道融合，結(jié)構(gòu)如圖8所示。其設(shè)計(jì)思路是將可變形MVG布置在進(jìn)氣道入口，當(dāng)進(jìn)氣道入口以低馬赫數(shù)工作，分離對(duì)進(jìn)氣道性能影響較小時(shí)，MVG與進(jìn)氣道下壁面融合，避免下游流場(chǎng)受到其誘導(dǎo)的旋渦干擾；當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)增高，進(jìn)氣道唇罩激波入射并誘發(fā)大范圍的邊界層分離時(shí)，MVG的后緣向上卷曲，以抑制邊界層分離，如圖9[52]所示。

圖8 可變形MVG結(jié)構(gòu)示意圖[52]

圖9 可變形MVG控制方法示意圖[52]

圖10[52]給出了渦流發(fā)生器在風(fēng)洞條件下的變形情況，圖中h為進(jìn)氣道通道高度?？梢钥闯?，在風(fēng)洞吹風(fēng)條件下，成功實(shí)現(xiàn)了渦流發(fā)生器的自動(dòng)變形，并且試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明在大后掠渦流發(fā)生器的控制下進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)明顯提升。

圖10 可變形MVG風(fēng)洞試驗(yàn)紋影圖[52]

Yan等[53]在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)渦環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在動(dòng)量虧缺區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了三維表面拐點(diǎn)，如圖11所示。對(duì)渦環(huán)的形成機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)由動(dòng)量虧損產(chǎn)生的高剪切層和拐點(diǎn)面的存在會(huì)引起相應(yīng)的Kelvin-Helmholtz失穩(wěn)，并發(fā)展成一系列的渦環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果表明，MVG后的流場(chǎng)中存在一系列的渦環(huán)，這些渦環(huán)結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)定性相似。研究了展向渦量與流向渦量的關(guān)系，渦量守恒控制了渦量的發(fā)展過(guò)程。

圖11 渦環(huán)渦量示意圖[53]

Kaushik[54]設(shè)計(jì)了一種新型斜坡葉片式MVG，如圖12所示。并與高度相同的傳統(tǒng)MVG進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),分別研究了600、400、200 μm這3個(gè)尺寸的MVG在馬赫數(shù)2.2的進(jìn)氣道中的流動(dòng)控制情況。結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下，高度為200 μm的新型斜坡葉片式MVG控制性能最優(yōu)。

圖12 新型斜坡葉片MVG示意圖[54]

如圖13[54]所示，在進(jìn)氣收縮比為1.23時(shí)，采用200 μm斜向葉片式MVG可使下游位置的靜壓降低24%。此外，與傳統(tǒng)MVG的壓降為8.4%相比，在收縮比為1.20時(shí)，斜坡葉片MVG可以將靜壓降低11%，從而產(chǎn)生理想的上游效應(yīng)。即使在進(jìn)氣收縮比為1.13時(shí)，高度為200 μm的斜葉片MVG也能使靜壓顯著降低18%左右;這比相同高度的傳統(tǒng)MVG高出約8%。

圖13 不同收縮比下200 μm高度MVG控制靜壓變化圖[54]

Verma和Manisankar[55]測(cè)試了5種MVG，并評(píng)估其在馬赫數(shù)2.05流動(dòng)中控制分離的有效性，如圖14所示，5種MVG分別Ashill、Anderson、Split-Anderson、梯形(TRZ)和斜板葉片式(RV1)設(shè)計(jì)。在他們的研究中，還研究了一種高度為邊界層厚度50%的斜板葉片式MVG(RV2)，并取得了非常優(yōu)異的控制效果。這些構(gòu)造均以波紋形式在分離線中沿展向變化。

圖14 斜坡式MVG示意圖[55]

Wang等[56]通過(guò)納米粒子平面激光散射系統(tǒng)(Nanoparticle-based Planar Laser-Scattering，NPLS)和PIV技術(shù)也清晰地觀察到了斜坡式MVG在馬赫數(shù)2.7、雷諾數(shù)5 845的流場(chǎng)中抑制分離的作用，圖15[56]為MVG影響流場(chǎng)的流向NPLS圖像，能夠清晰地觀察到MVG尾流的演變，可以觀察到發(fā)卡渦的形成，這些渦通過(guò)SWBLI 干擾區(qū)后繼續(xù)存在，并使反射激波發(fā)生嚴(yán)重扭曲，激波的形狀也會(huì)隨渦流位置的改變而變化。圖16[56]為對(duì)應(yīng)的PIV圖像，可以明顯地觀察到剪切層，并觀察到MVG影響下，分離區(qū)明顯減小，邊界層的畸變也得到緩解。NPLS技術(shù)和PIV技術(shù)為后續(xù)試驗(yàn)研究提供了很好的試驗(yàn)依據(jù)。

圖15 中位面流向結(jié)構(gòu)的NPLS圖像[56]

圖16 中位面平均流向速度分布(u/ue)的PIV圖像[56]

Bagheri等[57]利用OpenFoam軟件對(duì)低展弦比管道內(nèi)馬赫數(shù)為2.05的三維可壓縮流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究。評(píng)估了高度10 μm的4種不同形狀MVG的控制性能，如圖17所示，C2為瓢蟲體，C3為NACA4412翼型體，C4為NACA4412翼型外沿體，C5為該翼型內(nèi)沿體。將上述4種不同形狀的MVG與簡(jiǎn)單幾何體C1(圖中未表示)放置在管道上壁面斜坡產(chǎn)生的分離區(qū)域的起始位置進(jìn)行對(duì)比，圖18[57]為不同MVG控制流場(chǎng)的壓力梯度分布圖。結(jié)果表明，MVG的存在對(duì)可壓縮流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響如下：① 改變激波入射角并降低激波強(qiáng)度；② 使激波向上游運(yùn)動(dòng)并抑制下壁面上的流動(dòng)分離；③ 在靠近壁面處形成較大角度的λ激波；④ NACA4412翼型外表面體形狀的MVG使得流場(chǎng)的能量損失和激波強(qiáng)度最低。

圖17 采用不同MVG的構(gòu)型圖[57]

圖18 流道內(nèi)中位面的壓力梯度分布圖[57]

趙永勝等[58]研究了動(dòng)態(tài)MVG對(duì)于馬赫數(shù)為4的SWBLI流場(chǎng)的控制機(jī)理和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。如圖19所示，當(dāng)MVG向下游移動(dòng)時(shí)，對(duì)于SWBLI區(qū)域的壓力作用明顯；激波入射引發(fā)的高壓顯著降低。且在設(shè)置的對(duì)照組內(nèi)MVG移動(dòng)速度越高，控制效果越明顯。如圖20所示，MVG的尾跡渦會(huì)影響干擾區(qū)域內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)；隨著MVG向下游移動(dòng)，對(duì)干擾區(qū)域渦結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖19 不同時(shí)刻的壓力分布[58]

圖20 動(dòng)態(tài)MVG流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)[58]

上述流動(dòng)控制方法主要是針對(duì)內(nèi)部流動(dòng)所采用的控制方式。

2.2 MVG在外部流場(chǎng)中的控制研究進(jìn)展

在外部流動(dòng)中，MVG流動(dòng)控制依然是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。Estruch-Samper等[59]研究了MVG在馬赫數(shù)8.9的流動(dòng)中引起的高速流動(dòng)分離。MVG位于高超聲速鈍圓柱體/喇叭體的表面上，以便獲得不受側(cè)壁干擾影響的數(shù)據(jù)，如圖21所示。在圖21中，xh為模型前緣與MVG前緣之間的軸向距離，xf為模型前緣與喇叭體前緣之間的軸向距離，R為鈍頭半徑，φ為圓柱截面直徑，α為張開角。

圖21 菱形與方形MVG平面示意圖[59]

Martis等[60]采用了2種幾何形狀的斜坡式MVG來(lái)控制馬赫數(shù)為4.0的超聲速流動(dòng)中的后掠激波/邊界層干擾，并評(píng)估了微型斜坡寬度和間距的影響。他們發(fā)現(xiàn)在斜坡式MVG下游邊界層分離有明顯的延遲，且較大的斜坡高度更有利于延遲分離。同時(shí)，斜坡的寬度和間距是影響其控制分離效果的主要因素。

在跨聲速翼型繞流中，機(jī)翼后緣及激波/邊界層相互作用區(qū)域內(nèi)的激波會(huì)導(dǎo)致壓力波的產(chǎn)生。Gageik等[61]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真驗(yàn)證了在來(lái)流馬赫數(shù)0.76、雷諾數(shù)106的情況下，MVG抑制壓力波和穩(wěn)定流場(chǎng)方面的適用性。通過(guò)數(shù)值紋影和進(jìn)一步的可視化，描述了MVG周圍的流動(dòng)，并結(jié)合渦量分析證實(shí)了沿翼展方向的不穩(wěn)定波被部分分解。

跨聲速流中機(jī)翼/機(jī)體接合處的激波/邊界層相互作用引起的角流分離是有害的，Koike和 Babinsky[62]采用了渦流發(fā)生器來(lái)減小角流分離。在他們的工作中，評(píng)估了來(lái)流馬赫數(shù)為1.4的情況下MVG方向及其大小和位置對(duì)減少角流分離的影響。所獲得的結(jié)果表明，在趾部向外的情況下，分離行為可分為3種模式，即剝離模式、黏附模式和無(wú)影響模式，見圖22[62]。發(fā)現(xiàn)剝離模式可有效減少拐角流分離。

圖22 趾部向外分離模式示意圖[62]

Gao等[63]通過(guò)三維數(shù)值模擬研究了渦流發(fā)生器對(duì)鈍尾緣翼型DU97-W-300流動(dòng)的影響。通過(guò)分析渦流發(fā)生器的后緣高度、長(zhǎng)度以及相鄰VG間的距離等參數(shù)，結(jié)合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VG的使用有助于增加鈍后緣翼型的最大升力系數(shù)和靜失速迎角；VG后緣高度的增加有助于升力系數(shù)的提升，但對(duì)阻力造成的影響比升力更加敏感，從而導(dǎo)致升阻比降低；VG長(zhǎng)度的增加對(duì)阻力和升力都造成不利影響；適當(dāng)增加相鄰一對(duì)VG之間的間距有助于抑制流動(dòng)的分離。

Huang等[64]研究了超臨界機(jī)翼渦流發(fā)生器對(duì)跨聲速激波/邊界層干擾的控制作用。發(fā)現(xiàn)多VG的排列方式對(duì)控制邊界層分離和展向流動(dòng)的效果更優(yōu)。另外, 將VG放置于分離區(qū)前方能大幅減少翼型低速大攻角下的分離流動(dòng)。

3 MVG組合體控制研究進(jìn)展

微型渦流發(fā)生器有其局限性，僅在設(shè)計(jì)工況下可以完成預(yù)期的控制目的，但對(duì)于非設(shè)計(jì)工況下的控制并不能很好地實(shí)現(xiàn)，因此與其他方法的組合體控制是值得深入研究的。

Zhang等[65]在研究中分析了斜坡式MVG與橫向射流的組合機(jī)理。通過(guò)大渦模擬詳細(xì)研究了斜坡和射流組合體的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了流經(jīng)斜坡的尾跡厚度和動(dòng)量是影響射流穿透能力的2個(gè)主要因素。動(dòng)量越小、厚度越厚，射流穿透能力越強(qiáng)。如圖23所示，對(duì)不同斜坡和射流的控制參數(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在斜坡和射流孔之間有一個(gè)最佳的相對(duì)距離，對(duì)于增強(qiáng)穿透和混合有很好的作用。

圖23 不同設(shè)計(jì)參數(shù)的斜坡射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖[65]

但該研究并未考慮將斜坡射流組合體應(yīng)用于控制激波/邊界層干擾方面，對(duì)于流場(chǎng)品質(zhì)和抑制流動(dòng)分離的性能也并沒(méi)有提及。

4 總結(jié)與展望

微型渦流發(fā)生器作為近些年的研究熱點(diǎn)，不同構(gòu)型以及分布等設(shè)計(jì)參數(shù)均被很多研究者進(jìn)行了深入的研究。但目前大部分研究局限在低馬赫數(shù)的范圍，高馬赫數(shù)情況下的控制效果及產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)熱問(wèn)題都需要結(jié)合飛行器總體設(shè)計(jì)研究考慮，且僅考慮到了MVG的單一控制方法。實(shí)際上，MVG也有其局限性。它的大小、構(gòu)型、分布等設(shè)計(jì)參數(shù)都會(huì)對(duì)控制情況產(chǎn)生影響，目前關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的研究仍較為基礎(chǔ)，后期可以采用參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及數(shù)據(jù)挖掘理論對(duì)MVG的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于激波/邊界層干擾的組合體控制研究相對(duì)空白，大部分研究針對(duì)單個(gè)控制方法進(jìn)行深入挖掘，一部分研究基于單一控制方法的變形體進(jìn)行了探索。少部分研究已經(jīng)提出2種控制方法的組合，但較少應(yīng)用于激波/邊界層干擾的控制研究中。因此，多種控制方法的組合可以作為未來(lái)激波/邊界層干擾的控制研究方向，其前景非常廣泛。

在考慮激波/邊界層干擾的組合體控制研究中，國(guó)內(nèi)外關(guān)于微型渦流發(fā)生器的研究已經(jīng)非常充分，大量的研究揭示了MVG的流動(dòng)機(jī)理、控制性能以及局限性。通過(guò)與其他主/被動(dòng)控制方法的組合，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的目的，可以加強(qiáng)對(duì)于流場(chǎng)品質(zhì)的控制，更大程度、更廣范圍地減小流動(dòng)分離情況。