逆压梯度湍流边界层分离控制

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逆压梯度湍流边界层流动分离在工业界普遍存在,如汽车尾部流动、飞机机翼及水下潜艇尾部区域流动等,抑制流动分离以实现减阻降低损耗具有重要的工业价值与学术意义。本文以曲面斜坡为研究对象,进行不同角度下定常与非定常展向狭缝吹气流动分离控制实验研究,通过展向狭缝吹气实现斜坡上的压力快速回升,抑制流动分离,从而减小回流区长度。首先通过PIV、压力扫描阀以及热线对无控制下的流场进行测量,研究了来流边界层的状态以及平均分离点和再附着点位置随雷诺数的变化,并确定展向狭缝吹气位置。设计不同吹气角度的控制系统,测试不同工况下激励器吹气出口特性,并在0°、30°、60°、90°等吹气角度下进行控制,定常吹气控制参数包括吹气流量、吹气角度,非定常吹气控制参数包括吹气角度、吹气流量、吹气频率以及占空比。实验结果表明:对于本文采用的曲面斜坡,当动量厚度雷诺数Reθ<5700时,随着Reθ的增大平均分离点位置不断推迟;当Reθ≥5700时,随着Reθ的增大平均分离点位置稳定于x/h=1.7不再变化,因此展向吹气狭缝位置设置在平均分离点附近x/h=1.6。定常吹气时,发现在相同的吹气流量下,吹气角度越小,分离控制效果越好。当吹气角度为0°或30°时,随着吹气流量的增大,压力回升值Cp-end不断增大,回流区不断减小,而当吹气角度为60°或90°时起到相反的控制效果。非定常吹气时,吹气角度的影响与定常控制相同,即吹气角度越小控制效果越好,而频率f、占空比dc以及流量Q决定了射流能量系数C(即射流能量/主流能量),射流能量系数决定了控制效果,最佳控制参数下(吹气频率f=180 Hz、占空比α=0.2、流量Q=180 L/min)回流区已基本消除。在相同的吹气角度与吹气流量下,非定常控制由于射流能量系数高于定常控制(尤其在低占空比时),因此非定常控制效果优于定常控制。
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