平面附壁射流的主动控制研究

摘要

在航空航天领域中，分离、再附流动是一种常见流动现象，理解其动态特性并掌握它的控制规律具有重要的意义。本文以一种经典的分离、再附流动——平面附壁射流为例，通过实验方法研究其中的主要流动结构(“wall jet motion”,“shear layer mode”,“shedding-typemotion”)，并探究在不同参数下小幅周期性激励对流场主要运动形式(不同的尺度的拟序结构)的影响，从而充分认识类似复杂剪切流的内在机理。此外，通过线性随机估计与本征正交分解的方法初步探究与估计壁面压强脉动相关的空间速度场。 在本次研究中，基于射流高度(Hj=20mm)和平均来流速度(Ue)的雷诺数约为10318。实验通过对称放置在射流出口处的一对合成射流激励器产生周期性扰动，其中激励强度(As=u's/Ue=0.1-0.4)，而无量纲激励频率(f*)从0.03至0.3变化。此外，激励的方式为上下单侧激励。壁面的压强信息通过放置在壁面沿来流(与射流平行相距4mm)的上一组压力传感器(共14个)获得，每个传感器的间隔为Δξ/Hj=0.5。流场(x-y面)的速度信息通过二维PIV系统获得。下侧的高频高幅激励，促进了时均再附点的前移，而上侧的激励则对其影响较小。通过雷诺应力分析以及速度的snapshot POD分解可知，当激励频率为f*=0.1时，上侧或者下侧的高幅激励都促进了远场的湍流脉动，可能与“wall jet motion” 被增强有关，且该运动为平面附壁射流的主要流动形式。下侧激励频率为f*=0.2提高了回流区以及再附区附近的动量交换，这一现象的出现可能由于该激励频率增强了流场“shedding-type motion”。至于f*=0.3，这一频率促进了剪切层中的速度脉动，以及其中的小尺度结构的运动，可能因为该扰动频率与“shear layermode” 相近。 本次研究同步采集了壁面压强和空间速度(y-z平面)信息，空间速度(y-z平面)通过stereo-PIV获得。我们使用LSE-POD混合方法重构和估计了与壁面压强变化相关性较强的空间速度场变化。通过流场的预测可知，再附区下游大尺度的流动结构极大地了影响了壁面压强的变化。 通过本文的研究，我们加强了对再附流动的三维特性的认识，特别是几种不同的主要运动结构，并加以小扰动的有效控制，以便为后续的工程技术上的减阻，增混，换热等提供理论指导。

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摘　　要

Abstract

1 引 言

1.1 研究背景

1.2 研究目标

2 文献综述

2.1 附壁射流

2.2 其他分离流

2.2.1 分离的湍流边界层

2.2.2 后向台阶流动

2.2.3 钝头板绕流

2.3 分离流动的主动控制

3 实验方法

3.1 实验装置

3.2 测量设备

3.2.1 热线风速仪

3.2.2 激光粒子测速仪

3.2.3 压强传感器

3.3 数据采集与处理

4 周期性激励下的平面附壁射流场(xy平面)

4.1 时均流场分布

4.2 雷诺正应力

4.3 壁面压强分布

4.4 本征正交分解分析

5 平面附壁射流中的三维结构预测(yz平面)

5.1 三维的平均流场

5.2 壁面压强POD

5.3 LSE-POD

结　　论

参考文献

附录 A　平板射流的出口速度

附录 B　热线的标定

附录 C　合成射流激励器的标定

附录 D　POD分解的模态分布

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致　　谢

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