射流外激励切换附壁振荡特性与优化研究

摘要

流动控制技术是现代流体力学研究的热点，也代表了流体力学发展的前沿，相比于被动流动控制，主动流动控制具有动作精准、响应快速、效果显著等优点。
　　本文针对射流振荡技术在静止式气波制冷分配器等应用领域的需求与不足，基于国家自然科学基金项目(51276026)的研究内容和申报的发明专利，首次系统地开展了外激励振荡射流的相关机制与过程特征的研究工作，所谓外激励，即对主射流实施从外部引入的激励流进行控制，使其产生附壁振荡。从振荡特性、过程效率和振荡射流模态等方面，进行了大量CFD数值模拟分析、几何与激励参数的优化以及实验验证研究，获得对应的最新结果，为自主知识产权申报和基金课题的创新机理研究，提供了可靠的依据，并获得相应的结论。具体研究内容和相应结论如下:
　　(1)研究对比外激励和主射流分流自激励方式的激励机理，以及二者振荡机制模态的差异与特点。数值模拟与分析得出和验证了外激励流体可以发生自膨胀并沿主射流方向自行加速，而不同于自激励流体那样由于压力骤降，需要主射流消耗动能携带加速，因此过程效率提高是外激励振荡的最大优势，其过程的射流总压保持率K要比自激励高出15～25％。
　　(2)以最小激励流量J为优化目标，模拟考察外激励射流振荡器的特征尺寸对最小激励流量和激励稳定性的制约关系，得到能维持主射流稳定附壁振荡的各个几何参数的最佳范围。优化结果表明，最小激励流量可低于主射流流量的10％以下。对垂直、平行和推挽激励方式分别进行模拟分析对比，明确了各个作用机制及特点。对优化模型进行实验验证表明，外激励振荡稳定可靠，频率与模态任意可控。
　　(3)对振荡过程的效率，即振荡射流的总压保持率K进行了大量的模拟计算、优化分析和实验验证，在兼顾优良振荡性能的前提下，获得最大总压保持率所对应的各优化几何参数、优化激励参数和模态，使总压保持率达到85％以上。并且发现和证明，激励流量的冗余增加，除了对激励振荡更有效以外，还能增大总压保持率K，激励流的能量可低损地汇入主射流，并能改善分支流道的边界层流动。因此，为了保证激励效果和低能量损耗，激励流量大于最小流量的30％～50％是最佳的选择。
　　(4)对激励流的非理想调制模态以及激励流峰值降低后，维持振荡所需激励流量的变化和对总压保持率的影响程度进行了数值模拟和实验研究。研究表明，拟正弦变化的激励流模态，除了使附壁切换略微滞后，激励能力降低不大，总压保持率也只降3～4％;而将激励流峰值压力逐步降低25％，仍可维持稳定振荡，但最小激励流量必须从主射流的12.8％增至23.6％，总压保持率随峰值压力基本呈线性地降低3％左右。而激励频率增高，主射流处于切换状态的时间占比增大，总压保持率降低;同时，激励函数占空比的降低同样会使主射流总压保持率降低。
　　(5)针对气波管高效制冷对小占空比时均射流的迫切需要，研究一种能产生多股时均振荡射流分配的外激励多级振荡方法，分析并揭示其振荡机制，得出第二级振荡的总压损失不到第一级50％的结论。对其结构几何参数以及激励切换时机进行数值模拟优化和实验验证，获得二级振荡的总压保持率K高于80％的效果，远高于自激励单级振荡最高72％的水平。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 选题背景及意义

1．2 流动控制技术概述

1．2．1 流动控制的发展及应用

1．2．2 流动控制的分类及方法

1．2．3 流动控制激励器概述

1．3 自激励振荡器的分类与制约因素

1．3．1 反馈式射流振荡器

1．3．2 共鸣式射流振荡器

1．3．3 音波式射流振荡器

1．3．4 自激励射流振荡器的制约因素

1．4 气波制冷对高效射流振荡分配器的需求

1．4．1 气波制冷机制冷机理

1．4．2 气波制冷机的类型及特点

1．5 外激励射流附壁振荡的提出

1．6 本文的研究内容

2 射流附壁振荡的理论基础与振荡特性

2．1 射流理论

2．1．1 射流的形成及其分类

2．1．2 射流的内属特性及描述

2．1．3 射流的卷吸和参数变化

2．1．4 射流的附壁行为与切换

2．1．5 射流振荡及其发生条件与控制

2．2 射流附壁振荡过程的数值模拟方法与步骤

2．2．1 物理模型

2．2．2 控制方程

2．2．3 湍流方程

2．2．4 数值计算方法简介

2．2．5 计算边界条件

2．3 振荡机理与外激励振荡优势

2．3．1 激励强度、突发性与持续性对比

2．3．2 外激励流的自膨胀加速特性和能量叠加机理

2．3．3 自激励和外激励射流振荡过程的机理分析

2．3．4 外激励射流振荡的优势

2．4 本章小结

3 外激励射流振荡器结构尺寸与特性的关联和优化

3．1 外激励振荡器结构组成与激励

3．1．1 主体结构与特征尺寸

3．1．2 外激励结构与激励流调制

3．2 外激励振荡器振荡特性与关联因素

3．2．1 振荡射流的相关特性

3．2．2 最小激励流量

3．2．3 垂直激励方式下特征尺寸与振荡特性的关联

3．2．4 平行激励方式下特征尺寸与振荡特性的关联

3．3 外激励振荡器的能效特性与关联因素

3．3．1 能效特性指标和影响因素

3．3．2 垂直激励方式下特征尺寸与总压保持率的关联

3．3．3 平行激励方式下特征尺寸与总压保持率的关联

3．4 几何优化的结果与分析

3．5 本章小结

4 振荡射流对不同外激励参数和模态的响应特性

4．1 外激励流的参数与模态

4．2 振荡特陛随激励参数、模态变化的模拟分析

4．2．1 外激励流峰、谷压力变化的影响考察与分析

4．2．2 外激励流时变曲线的影响考察与分析

4．2．3 外激励流峰值占空比的影响与分析

4．2．4 激励频率的影响与分析

4．3 本章小结

5 外激励双级射流振荡器的性能研究与优化

5．1 外激励双级射流振荡器的基本结构与特性

5．1．1 静止式气波制冷机对多股小占空比时均射流的需求

5．1．2 外激励双级射流振荡器的结构形式与激励调制

5．1．3 双级外激励流切换装置

5．2 外激励双级振荡器的优化

5．2．1 第二级射流入口的结构优化

5．2．2 两级激励之间的时机配合优化

5．3 外激励双级射流振荡器的特性分析

5．3．1 外激励双级射流振荡器的振荡特性

5．3．2 外激励双级射流振荡器的能效特性

5．4 本章小结

6 外激励振荡器性能的实验验证研究

6．1 实验目的与实验研究内容

6．2 实验装置的组建与说明

6．2．1 实验装置的组成与功能

6．2．2 单级外激励振荡实验装置组成与参数

6．2．4 实验测量与分析方法

6．2．5 出口总压测量的难度与简化方法

6．3 实验测量与数值模拟结果的对比与分析

6．3．1 实测波形与数值计算波形的对比分析

6．3．2 激励流峰值压力改变对相对总压保持率的关联影响

6．3．3 激励流量与相对总压保持率的关联关系

6．3．4 激励频率与总压保持率的关系验证

6．3．5 激励流波形对总压保持率的影响

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢