合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究
2016-02-24李斌斌姚勇姜裕标黄勇顾蕴松程克明
李斌斌， 姚勇， 姜裕标， 黄勇， 顾蕴松， 程克明
1.西南科技大学 土木工程与建筑学院， 绵阳 621010 2.中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所， 绵阳 621000 3.南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京 210016
合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究
李斌斌1,*， 姚勇1， 姜裕标2， 黄勇2， 顾蕴松3， 程克明3
1.西南科技大学 土木工程与建筑学院， 绵阳 621010 2.中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所， 绵阳 621000 3.南京航空航天大学 航空宇航学院， 南京 210016
后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题，代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响，如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究，综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段，获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明：利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25%，合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强，提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明，频率是后台阶分离流动控制的重要参数，当频率为260 Hz，扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32 时，合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强，仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。
后台阶； 合成射流； 主动流动控制； 再附点长度； 湍流流动
后台阶(Backward-Facing Step)流动是流体力学中一个经典的研究课题，代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题[1-2]。后台阶流场亦称为突张室流场，是典型的边界层分离后再附之流场，由于其结构简单、坚固且流场性质稳定，在航空航天和流体传输等工程领域具有广泛的应用[3-4]。诸如驻焰器、燃烧室、扩张器、机翼与建筑物等，甚至在电子冷却方面也具有相当广泛的应用。研究后台阶流动的意义不仅因其应用广泛，还在于后台阶流动包含了多种复杂的流动物理现象，如流动的转捩、分离、再附及非定常等流体力学基本现象[5]，具有流体力学研究的理论意义和应用价值[6]。
流体绕后台阶的流动会产生流动分离，从而导致一些不利的影响，如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等[7-8]。因此，有必要采取流动控制措施来抑制其分离流动。同时，为了更加深入和更好地利用后台阶流动，对后台阶的流动控制研究也是必不可少的。
对后台阶分离流动的控制研究可分为被动控制和主动控制两大类。被动控制是在流场分离区中加入各种形状的扰流片或涡发生器等装置，利用在流场下游形成的流向涡系，提高流场的混合效率，从而降低分离区范围。Park等[9]利用三角形扰流片形成了流向涡系，增加了流场的混合速度，使分离区减小20%以上。被动控制虽然方式简单、可靠、无需能量消耗，但其仅增加了流场部分区域的动量交换，对流场中大多数区域的动量交换反而降低。
对后台阶流动的主动控制则是一种积极的控制思想，主动控制是在流场中直接加入合适的扰动模式，以与主流发生耦合，从而达到预期的控制效果。在以往的研究中，吹吸气控制被广泛应用于后台阶的流动控制。陈国定和明晓[10]对不同吹吸气位置，如台阶竖直壁面、台阶上游和圆角台阶上施加吹吸气控制对后台阶的流动进行了研究，结果表明，上述方法均能有效减小再附点长度，控制再附区附近的摩擦应力分布。Sano等[11]采用均匀吸气对后台阶阶脚处平行主流和台阶处垂直主流的后台阶流动进行了实验研究，分析了吸气流量系数对壁面压力系数、再附点长度和流场结构的影响。郑朝荣等[12]对均匀吸气控制下三维后台阶流动分离进行了数值模拟，结果表明，该方法能够吸除回流区中的低速流体，抑制流动分离和旋涡脱落，减小再附点长度和改善后台阶流场结构，且随吸气量的增加控制效果越显著。Dejoan和Leschziner[13]对周期性振荡射流控制下的后台阶流动分离进行了研究，分析了射流幅值和频率对后台阶流场结构的影响。Chun和Sung[14]利用振荡射流产生的周期性尾涡结构对后台阶分离再附流动进行了研究，结果表明，当上游尾涡的脱落频率的斯特劳哈尔数St为0.2时，可使平均再附点长度减小10%。
本文主要利用合成射流主动控制技术，与上述流动控制方式相比，合成射流的产生无需额外气源、无复杂控制阀门和管道等组件，使其兼备了结构简单紧凑、质量轻、成本低及维护方便等诸多优点。工作时的介质全部来源于周围环境流体，具有仅有对外输出动量而输出质量为0的显著特征。只需消耗极少的电能即可产生周期性的合成射流，且合成射流的射流速度和频率易于控制，形成的合成射流非定常小扰动的控制频率高。合成射流激励器的出口位置位于台阶上游0.5h(h为台阶高度)，在该位置开设有一排圆形小孔作为合成射流激励器的射流出口，利用合成射流形成的非定常扰动对后台阶分离剪切层进行控制。实验综合应用了表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验测试手段，研究了合成射流微扰动对后台阶再附点长度和回流区流场结构的控制特性。
1 模型与实验装置
1.1 后台阶实验模型
实验模型为一典型的背向二维阶梯结构，如图1所示。台阶模型安装于二元射流风洞试验段出口位置，入口截面宽250 mm，高H1=50 mm，台阶高度h为20 mm，突张室高度H2=70 mm，出口截面积为250 mm×70 mm。模型的宽高比AR为12.5，突张比ER为1.4，试验风速U∞=15 m/s，以台阶高度为参考长度的实验雷诺数Reh为20 548。
图1 后台阶实验模型
Fig.1 Model of backward-facing step experiment
依照Brederode和Bradshaw[15]的实验结果，当台阶的宽高比AR大于10时，则可将其视为二维流动特性，本实验的宽高比AR为12.5(大于10)，故也可将其视为二维流场，且七孔探针沿x-y剖面的速度场测试结果也进一步验证(见图2)，实验模型满足二维流动特性。
图2 七孔探针时均速度场测试结果
Fig.2 Test results of average velocity field of seven-hole probe
实验中定义由台阶底部连接突张室下壁面中心位置为坐标原点，以三维卡氏坐标系来定义，其中x轴代表流体沿主流流动方向，y轴代表流道突张方向纵坐标，z轴代表径向坐标。
1.2 阵列式合成射流激励器
图3为阵列式合成射流激励器，主要由激励器腔体、振动膜和阵列式圆形射流出口组成。
合成射流出口位置布置于距台阶前缘0.5h处，激励器的腔体尺寸为200 mm×200 mm×80 mm，射流出口由13个直径d=2 mm的圆孔射流出口组成，相邻射流出口间距为10 mm，合成射流出口速度与主流方向垂直，所用扬声器功率为40 W，8 Ω。
图3 阵列式合成射流激励器
Fig.3 Synthetic jet actuator arrays
1.3 测试技术和方法
1) 测压数据采集系统
测压数据采集系统为美国NI公司的测压系统，主要由：PXI-6284数据采集卡、信号输入/输出端子板、Labview软件和数据采集电脑组成。单通道分辨率为18 bits，最大采样率为625 kS/s，测压传感器量程为0.15 PSI。沿台阶底部中心位置下游0.5h位置，每隔0.5h台阶高度依次布置有40个直径1.2 mm的静压孔。
2) PIV测试系统
PIV为美国TSI公司的二维PIV系统，整个系统主要由PIVCAM10-30互相关CCD相机、双脉冲激光器、同步控制器及Insight分析软件组成。双脉冲激光器的频率为10 Hz，PIV测试系统的分辨率为2%，图4为PIV实验测试装置。
图4 PIV实验测试装置
Fig.4 PIV experiment set-up
实验中由于CCD相机的平面测试区域仅为100 mm×80 mm，为了获取后台阶流动的狭长回流区流场结构，实验中进行了PIV流场的拼接测试，并对数据进行了组合化处理。
PIV实验时，激光片光位置为对准台阶中央位置且与射流出口垂直，即可照亮流体在经过台阶后在台阶下游流动的区域。实验中选用了香燃烧产生的烟粒子作为示踪粒子，实验前预先在风洞动力段外的空腔容器中充满烟粒子，待风速稳定后打开容器盖，烟粒子在流经动力段到实验段的管道时会与主流进行充分掺混，经测试烟粒子浓度满足测量要求。
3) 热线测试技术
利用热线对合成射流后台阶流动控制的剪切层特性进行测试，热线测试系统主要由单丝热线探针(直径为5 μm，长度为5 mm)、四路热线风速仪和日本小野公司的CF920动态信号分析仪组成。热线探针由可控三维坐标架进行控制，可实现步长为0.01 mm的控制精度，热线实验测试技术见图5。
图5 热线实验测试技术
Fig.5 Hot wire experiment technique
热线探针的频响为10 kHz，过热比为1.5，热线输出信号经由CF920频谱分析仪进行16次平均处理，可得到热线输出的波形图和功率谱。图6 给出了热线测得的实验状态下的剪切层涡脱落频率与实验范围内涡脱落频率随主流速度的变化情况。
图6 热线涡脱落频率测试结果
Fig.6 Test results of shedding frequency of hot wire vortex
从图6中可以看出，实验状态下的自由剪切层涡脱落频率为197.5 Hz，说明流动在台阶位置发生分离后，是以高速运动的旋涡形态存在的。且在试验范围内，剪切层涡脱落频率随主流速度的变化近似呈线性关系，通过计算涡脱落频率的斯特劳哈尔数St恒为一定值0.263。
2 实验结果和分析
2.1 后台阶流动特性的实验研究
图7为下壁面压力系数Cp和脉动压力系数分布。从图7(a)中可看出，随着雷诺数Reh的变化，压力系数Cp的分布呈如下3个典型特征：① 在 0
图7 下壁面压力系数和脉动压力系数分布
Fig.7 Lower wall pressure and fluctuating pressure coefficients distribution
从图7(b)中可看出，随着雷诺数Reh的变化,脉动压力系数Cprms最大值集中位于台阶下游6h～8h位置，此结果与文献[16]中提到的，当雷诺数Reh>6 600时，台阶上游的流动进入湍流状态，再附点长度变化与雷诺数无关的结果相一致。
图8为PIV测得的后台阶流动的时均速度流线图和涡量分布图。可以看出，时均化的流场中仅存在一个比较大的、完整的、贴近台阶下壁面的狭长回流区，范围在1 图8 PIV时均流场速度和涡量分布 Fig.8 PIV average flow field velocity and vorticity distribution 从图8中还可看出：① 在x/h<3区域，流线与台阶基本平行，但稍有弯曲，呈现出类似平面自由剪切层的涡结构，该区域的流动受台阶下壁面的影响小；② 3 2.2 合成射流对XL/h再附点长度的控制特性 以激励电压U=5 V为例，图9(a)给出了利用总压探针和压力传感器测量的合成射流速度(Vsj)随激励频率的变化曲线，可以看出，合成射流速度随激励频率的变化具有选频特性。图9(b)给出了合成射流控制时无量纲再附点长度XL/h随激励频率f的变化曲线，频率以自由剪切层涡脱落频率fs为参考进行了无量纲化处理。注：再附点长度XL是利用一对外径∅1.2 mm的不锈钢探针管设计加工成的内径∅0.5 mm前后总压孔构成的压差监测传感器测得，根据探针在沿台阶位置向下游进行游测中测得的压差曲线的零点位置确定再附点长度。 图9 合成射流速度随f和再附点长度随f/fs的变化特性 Fig.9 Change characteristics of synthetic jet velocity with f and reattachment length with forcing frequency f/fs 从图9中可以看出，无量纲再附点长度XL/h随激励频率的变化呈现波动特征。在激励频率f/fs=0.71和f/fs=1.32时，无量纲再附点长度XL/h达到最小。与无激励f/fs=0时相比，再附点长度降低了25%。不同之处在于：当激励频率f/fs=0.71时，合成射流速度最大，射流能量最强；而当激励频率f/fs=1.32时，合成射流能量较弱。 为了对这一现象加以验证，图10给出了沿台阶中心位置底层，热线测得的底层速度和均方根(RMS)值沿下游的变化情况。可以看出，在台阶下游6h～8h范围内的合成射流控制恢复区，与无激励时相比，合成射流控制时底层速度得到恢复，在激励频率f/fs=1.32时，底层速度变化量最显著。从均方根值沿台阶下游的变化可知，合成射流控制时均方根值最大值位置向台阶位置移动，当频率f/fs=1.32时，均方根值的峰值位置由无控制时的x/h=8移至x/h=6位置，降低了25%，与总压探针监测结果相一致。 图11给出了激励电压U=5 V，激励频率f/fs=0.71和f/fs=1.32时，合成射流控制时PIV时均流场,包括速度流线图和涡量分布云图。 图10 底层速度和均方根(RMS)值沿下游变化 Fig.10 Downstream changes of bottom velocity and root mean square (RMS) 图11 合成射流控制的PIV时均流场 Fig.11 PIV average flow field under control of synthetic jet 从图11所示的速度流线图中可以看出，合成射流控制时台阶下游的回流区长度由无控制时x/h=8移至x/h=6位置，再附点长度减小。在x/h<3区域，流线基本与台阶位置平行。在x/h>3区域，合成射流控制时流线的弯曲程度增加，自由剪切层的旋涡强度逐渐减弱。 图12给出了合成射流控制时，采用PIV测得的每个相位下的50张粒子图像进行湍动能和雷诺应力计算后，再进行相位平均化处理得到的湍动能和雷诺应力分布，并给出了位于台阶下游x/h=4位置处，合成射流控制发展区的曲线分布。 图12 湍动能和雷诺应力的变化 Fig.12 Changes of turbulence energy and Reynolds stress 由图12可以看出，在合成射流的控制影响发展区内，沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强，当激励频率f/fs=1.32时，合成射流控制效果最显著，说明利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动，提高了下游流场的混合效率，使得再附点长度降低，关于其控制机理将在2.3节中加以解释。 2.3 合成射流控制特性分析 基于对合成射流后台阶控制的表面压力和PIV实验分析，结果表明，利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可有效降低再附点长度，改善台阶下游回流区流场结构、湍动能和雷诺应力分布，但此频率并不是激励器的共振频率，且消耗的射流能量也较低，为了对这一现象加以解释，采用热线对合成射流控制时的剪切层特性进行了测试，热线测试位置位于台阶下游(x=1.63h，y=1.04h)位置，图13给出了激励电压U=5 V，合成射流控制时热线测试结果，包括剪切层特性随激励频率变化的波形图和功率谱特性。 从图13(b)～图13(k)可以看出，随激励频率的增加，合成射流的扰动开始起主控作用，从波形图中可以看出，当激励频率f/fs=0.71时，剪切层的能量也最强，从对应的功率谱可以看出，合成射流仅使控制频率下对应的尖峰能量增强，而剪切层的特性并没有发生改变。说明在流动不敏感区域，即使选用最优射流频率，也不能达到显著的流动控制效果，剪切层的能量增强主要是由合成射流的动量注入引起的。 随激励频率的继续增加，当f/fs=1.32时，从波形图可以看出，剪切层的能量要强于f/fs=0.71时的射流能量峰值频率，从功率谱可以看出，合成射流使得位于1/2倍频下的剪切层能量增强，说明此时合成射流产生的非定常扰动与流场中分离剪切层的相互作用最强，2种流体的频率相当，剪切层对扰动起到了放大作用，扰动效能最显著，合成射流的控制增益最明显。而当扰动频率与流场中分离剪切层频率相比较低或较高时，尽管合成射流的扰动较强，但2种扰动的相互干扰作用不敏感，从而没有达到显著改善流场特性的目的。此时仅是通过依靠射流能量对后台阶流动分离进行控制，必定会消耗更多的射流能量。 表1给出了合成射流控制时，无量纲再附点长度XL/h与合成射流动量系数Cμ的关系。从表1中可以看出，激励频率f/fs=0.71与f/fs=1.32相比，虽然均可达到相同的控制效果，使再附点长度减小约25%，但频率f/fs=1.32时，对应的合成射流平均速度Vsj也较低，仅为f/fs=0.71最大射流速度的1/4，所消耗的合成射流动量也仅为射流能量峰值频率下的1/18，这种内在的频率控制机制将是今后主动流动控制研究的重要方向。 图13 合成射流控制时热线测试结果 Fig.13 Hot wire test results under control of synthetic jet 表1 再附点长度与合成射流动量系数的关系 Table 1 Relationship between reattachment length and synthetic jet momentum coefficient f/fsVsj/(m·s-1)CμXL/hΔXLh/%Nocontrol6.900.7113.580.002685.34231.323.220.000155.1525 1) 合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强，提高了台阶下游流场的混合效率，使得再附点长度降低。 2) PIV和热线的实验结果表明，射流频率存在一个较窄的区域，在此区域内合成射流激励器产生的非定常扰动与流场中分离剪切层的相互作用最强，合成射流的控制增益最显著，控制时仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。较小、较高的射流频率效果均较弱，最优的无量纲射流频率在1.32附近，这种频率控制机制将是今后主动流动控制研究的重要方向。 [1] EATON J K, JOHNSTON J P. 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Tel.： 0816-2461214 E-mail: libinbin-8@163.com Experiment research of active flow control of turbulent separatedflow on backward-facing step using synthetic jet perturbation LI Binbin1,*, YAO Yong1, JIANG Yubiao2， HUANG Yong2， GU Yunsong3， CHENG Keming3 1.SchoolofCivilEngineeringandArchitechture，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China2.LowSpeedAerodynamicsResearchInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter，Mianyang621000,China3.CollegeofAerospaceEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China Backward-facing step flow is typical in the research of fluid mechanics and it mainly investigates the sudden expansion of cross-sectional flow around a bluff body. Backward-facing step flow separation will lead to some adverse effects, such as high-speed vortex formation, flow losses, pressure pulsation and aerodynamic noise. Experimental investigation on separated reattachment flow control of two-dimensional backward-facing step turbulence with synthetic jet arrays is conducted. The unsteady flow field structure of a backward-facing step and surface pressure distribution are measured with seven-hole probes particle image velocimetry (PIV), hot wire anemometer, and pressure transducers as well. The results show that the perturbation of synthetic jet which is formed at the upper edge of the step can effectively decrease the non-dimensional length of reattachment flow by about 25% at most, and synthetic jet control increases the turbulent kinetic energy and Reynolds stress along the downstream steps and enhances the mixing efficiency of the flow field. The hot wire results show that frequency is a key parameter of backward facing step flow separation control; when the disturbance frequency is 260 Hz, the ratio of disturbance frequency to shear layer vortex shedding frequency is 1.32，the synthetic jet control can be applied to enhancing the energy of separated shear layer at a half of disturbance frequency and the flow control can be achieved only with low consumption of energy. backward-facing step； synthetic jet； active flow control； reattachment length； turbulent flow 2015-01-30；退修日期：2015-05-05；录用日期：2015-07-01； < class="emphasis_bold">网络出版时间： 时间： 2015-09-01 14:29 www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150901.1429.010.html 空气动力学国家重点实验室基金 (JBKY14010201) .Tel.： 0816-2461214 E-mail: libinbin-8@163.com 李斌斌， 姚勇， 姜裕标， 等． 合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究[J]．航空学报, 2016, 37(2): 545-554. LI B B, YAO Y, JIANG Y B, et al. Experiment research of active flow control of turbulent separated flow on backward-facing step using synthetic jet perturbation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 545-554. http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn 10.7527/S1000-6893.2015.0192 V211.7 ： A ： 1000-6893(2016)02-0545-10 *
3 结 论
