热激励器用于高速平面剪切流和圆管射流的流动控制机理研究

摘要

主动流动控制技术已成为提升高速飞行器飞行性能的重要手段之一，其在改善增强流动掺混、降低流动噪声方面的应用成果颇丰。本文采用大涡模拟方法研究了热激励器用于高速、高雷诺数的平面剪切流和圆管自由射流的主动控制机理；掌握应用热激励器增强剪切层混合和抑制噪声的规律，考察热激励器激励强度、激励方式和热激励器位置的影响。具体研究内容包括以下几个方面：
　　（1）采用大涡模拟方法研究了马赫1.3剪切流动。通过分析时均流场和瞬时流场的速度、压力分布和对流动的频谱分析，发现在二维数值模拟中，随着流动向下游发展，压力势能转化为涡的动能，同时压力的波动频率降低，波动强度增大。利用三维模型分析了剪切层内各涡量分量和湍动能的分布特性，发现剪切层头部区域主要以展向涡量为主，形成沿展向连续的条状涡结构；剪切层内流向涡量的发展导致了条状涡结构的失稳，是发夹涡结构产生的主要诱因之一。
　　（2）采用大涡模拟方法研究了不同激励方式对马赫1.3自由剪切流动的影响。在二维数值模拟中，研究了定常激励幅值和非定常激励频率对流动的影响，研究发现定常激励的功率越大，压力波动的主频越高，而主频下的幅值却越低；非定常激励作用同样使压力波动主频升高，主频峰值降低；在激励频率较低的工况中，出现了频率更高、幅值更低的多个峰值。在三维剪切流动的模拟中，采用了脉冲式的激励方式，从激励幅值、激励频率和占空比这三个角度研究了激励对大涡结构的影响，研究发现在激励作用下，剪切层厚度、平均湍动能和平均涡量值的增长均快于基准态，提高激励幅值能得到更大的速度和压力波动的峰值；当热激励器的激励幅值和占空比足够大时，其激励作用对流场的影响会有质的改变；从频谱分析中发现，尽管激励频率远低于剪切流动本身的波动频率，激励作用还是有效地抑制了剪切流动的高频波动。
　　（3）采用大涡模拟方法对马赫1.3二维轴对称射流和三维圆管射流进行了数值模拟。在二维数值模拟中，发现轴线上的压力波动是由剪切层内涡的卷吸作用引起的，其压力波动频率较低；而剪切层内的压力波动受涡结构的运动和剪切应力共同影响，波动频带较宽。研究三维射流流场分布特点和射流剪切层内的速度波动，发现流向涡量的产生促进了动量在空间的传递，促使剪切层增厚，压力波动范围增大。
　　（4）采用大涡模拟方法研究了不同激励模式对马赫1.3超音速圆管自由射流涡结构的影响，分别采用二维轴对称和三维模型探究了激励幅值和激励频率的影响，分析了空间上不同激励模式对三维射流大涡结构的控制机理。结果表明：对于轴对称射流，激励频率越高，涡脱落发生地越早，其生成速度也就越快。在三维射流的数值模拟中，分析了m=+-1模式和m=+-4模式下的近场流场和远场声场的特征。热激励器形成的高温流体区域对下游流动产生了类似“物理突起”的效果，在其附近形成的高涡量区域加速了射流剪切层的发展，增强了射流掺混；采用 Q判据得到射流大涡结构的分布，发现激励作用能产生更大的径向速度和周向速度波动，促进发卡涡的形成；不同激励模式形成了不同的大涡结构和气动噪声频谱分布，超音速射流的气动噪声频带很宽，激励作用在一定程度上改变了噪声频谱特性，有效地抑制了气动噪声的高频成分。

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第一章 绪论

1.1 湍流简介

1.2 可压缩湍流的研究背景与现状

1.3 流动控制技术的研究背景与现状

1.4 剪切流流动特性的研究近况

1.5 高速圆管射流流动特性的研究近况

1.6 本文主要工作

第二章 可压缩湍流数值模拟方法

2.1 RANS方法

2.2 大涡模拟方法（LES）

2.3 空间离散格式

2.4 气动噪声计算

2.5 小结

第三章 高速剪切流动的数值模拟

3.1 二维剪切流动的数值模拟

3.2 三维剪切流动的数值模拟

3.3 小结

第四章 热激励器对高速剪切流的影响机理

4.1 数值模拟热激励器对二维平面剪切流的影响

4.2 数值模拟热激励器对三维平面剪切流的影响

4.3 小结

第五章 超音速自由射流的数值模拟

5.1 二维超音速轴对称自由射流的数值模拟

5.2 三维超音速自由射流的数值模拟

5.3 小结

第六章 热激励器对超音速自由射流的影响机理

6.1 激励作用下二维轴对称射流的数值模拟

6.2 激励作用下三维超音速圆管自由射流的数值模拟

6.3 小结

第七章 总结与展望

7.1 本文主要工作和结论

7.2 本文的创新点

7.3 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢

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