涡流发生器在流体机械流动控制中应用研究进展

王锋

摘 要：随着科技的发展，机械设备在人们的日常生活中运用得越来越多。其中流体机械的运用也较多，流体机械运行中能够很好地被控制主要依靠的是涡流发生器。文章对涡流发生器在实验测量和数值计算两方面加以研究分析，从而明确涡流发生器的发展方向。

关键词：涡流发生器；流动控制；应用研究

中图分类号： V233.7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-178-2

1 概述

社会不断进步和发展使得更多的机械化设备在人们的日常生活中被运用，机械设备的类型很多，其中一种就是流体机械。流体机械不同于其他机械特点的主要是流动力，这个流动力如果掌握得不好就会发生危险，也就是叶轮和扩压器内流动分离发生失速。因此，人们逐渐关注对流体机械内流动原理的研究和分析，流体机械流动分离控制技术主要依靠的是涡流发生器，通过分析涡流发生器的控制机理，改善目前流体机械应用的发展前景。

2 涡流发生器在流体机械流动控制的研究分析

涡流发生器的参数主要包括：安装位置、射流管、管径和流动方向形成的倾斜角、主流速度和射流速度之间的比值，如果布置的点较多时，涡流发生器的个数和间隔都是需要被考虑进去的。

简单来说，要想流动的控制效果能够达到一个最佳值，每个参数都应该有一个最佳的范围，如果参数超出了该范围，控制效果会大大削弱。以前向倾斜角为例，如果倾斜的角度超出了范围，射流产生的涡旋会快速穿过边界层，无法产生固定的控制效果，所以目前研究人员的工作重心应该是选择合理的参数，达到最佳的流动控制效果。主流和喷孔中发出的射流在互相作用的情况下产生了离散的纵向涡，这种涡结构有着高动量，注进分离区时会对周围的流体产生诱导作用，边界层的外高能流体进入边界层内部，然后和其内部的低能流体交换能量。与此同时，射流产生的诱导涡会造成边界层内流体的能量分布发生改变。过程中，流动向下游发展，涡开始缓慢耗散，涡量不断变小，有效的范围逐步扩大，这样一定程度抑制或者延缓了流动分离情况的出现。

早在1952年沃利斯就已经提出了涡生成技术，它是被动地控制法引进的，提出的主要目的是推迟湍流边界层激波的分离。沃利斯还指明如果流动方向和壁面实现了倾斜角的喷射管被合理利用之后，会产生离散型的纵向涡，可以有效控制边界层的分离和流动失速的情况。最近几遍，计算机、控制和测试技术都在不断地完善，发展势头非常迅猛，在实验和数值模拟这块，涡流发生器在流动的控制机理和应用的潜力也有着明显的增强的趋势。

为了证明理论的正确性，在1990年约翰斯顿和尼西做了低速气流的实验，较为明显地展现出在抑制或者是消除流动分离中涡流发生器的重要作用。由于涡流发生器可以产生比较强的纵向涡，所以可以有效减弱甚至消除在紊流区域的流动分流的情况。

如果射流和主流速度的比值大于0.08及以上时，抑制分离的效果会更加的明显。

如果侧向的倾斜角是平角，涡流发生器对流动不会产生影响。

展翼的布置中喷射管会对流动控制产生积极重要的影响作用。

3 问题分析

在实验和数据分析作用下，我们明确地了解到涡流发生器在抑制流动分离这块的积极意义和广阔前景，但是和固体的涡流发生器对比之后发现，射流发生器的研究深度不够。研究者是通过数据和试验等手段对于流动分离失速控制的应用上有了较大的成果，而在流动控制方面的研究，脉冲射流和合成射流也有了较多收获，但是我们要正确地认识到在涡流的产生和耗散机理上的研究虽然有较大进展，但是还是存在着一些问题，这些问题在实际的应用中主要表现为以下几个方面：

流动分离控制方面涡流发生器潜力的大小，尤其是流动的主动控制的实现问题，热传导和薄膜冷却技术如何应用纵向涡。

失速控制上，如何选择最佳的涡流生成喷射管结构；流动控制中，脉冲射流的涡流生成器的频率和振幅的重要影响。

涡流发生器是一种流动性质的控制策略，减少、抑制流动分离时有着良好的效果，为了保证涡流发生器的流动控制实现有效性，要对流场的内部结构有一个较为细致的了解，并且在设计上能够更好地帮助和指导相关工作的开展。

如果前向倾斜角小于四十五度时，侧向倾斜角在锐角和之间中间的喷管口能够产生较强的涡，但是部分情况下，侧向的倾斜角为六十度时，可以产生更大的旋涡。分离边界层的纵向深度要有所保证，当倾斜角在三十度以下时，涡生成器的效率最高，最弱的情况是在侧向角小于四十五度，前向倾斜角为直角，流动分离控制所起的作用力是最小的。

实际的工作中，较大多数情况下，喷管孔的直径会远远小于边界层的厚度，区域薄，所以直径尺寸小，但是管子的孔径尺寸的选择并不固定，喷孔最小的情况下可能为最佳的状态。

4 涡流发生器在离心压缩机流动控制中的应用

流动机械的运行主要依靠的是叶轮和扩压器的流动分离作用，当他们分离的速度失去控制时就会对压缩机的运行构成危险。因此，人们对流体机械内部的流动控制机理的研究产生了兴趣，在流动机械的控制作用上主要起作用的就是涡流发生器。涡流发生器的主要作用是在叶轮和扩压器将要发生分离之时从边界层内吹入高动量的流体，这样可以有效地抑制住分离时的速度，从而提高压缩机的工作性能。

早在20世纪的70年代到90年代之间，美国人就对流动机械的控制机理进行了理论方面的研究，研究的方法主要是通过试验和数值研究来进行的，当时所能够进行研究的就是以肋片作为对象，试验流动机械流动控制的机理。在当今社会，人们对流动机械流动控制机理研究主要是通过涡流发生器来实现的。通过试验涡流发生器对压缩机性能的控制作用，分析流动控制速度，扩大研究范围。欧洲国家在此研究上，更倾向于实用性，试图找到更加方便和实用的控制方法。但就目前而言，在流动机械的流动控制上还处于不成熟的阶段，存在的问题主要是对湍流这样复杂的想象还没有很好地了解，对于湍流的控制还没有相对应的技术支持。

涡流发生器对流体机械流动的控制进行试验分析。早在20世纪90年代，人们就应用涡流发生器对扩压器内部进行了流动控制实验，对流动控制主要操作了两种方案，其一是稳态固体喷射管，其二是主动反馈流动控制。都进行了详细的试验分析。通过试验分析得出的结论是主动反馈流动控制可以降低扩压器内部的瞬间失速的状态，改变不稳定性，而稳态固体喷射管罐对扩压器的压力恢复具有很好的效果。如果将两种方法联合起来运用将会使得扩压器的性能得到提高。

在2003年，我国研究者也对流动机械流动控制进行了应用的研究，研究的成果合成射流在流动机械上面的运用很好地控制了流动的流速，并且对流体机械性能的提高也具有很大的影响。对流体机械湍流的研究分析，通过振荡射流改善翼型升力机理，这样方法的应用对分离区内和主流区内的能量交换具有积极作用，但是对压力面不存在影响。

分析了多种涡流发生器在流体机械控制上面的应用情况，国外的一些发达国家在这方面的造诣比较深，我国相对而言还处于一个发展的阶段，很多的技术还存在着问题。流动控制的研究情况比较复杂，需要长期不懈地努力和科学技术的发展。目前我国在流动控制研究中，对抑制叶轮机械内流动分离和扩大稳定等方面还没实际展开，仍存在着一些问题需要去探索。

5 结束语

通过上述的研究分析我们了解到，涡流发生器在流动机械的应用中所起到的重要作用。了解涡流发生器工作的原理，分析目前涡流发生器应用中所存在的问题，以便于明确涡流发生器应用的研究方向。在对涡流发生器的研究中主要是通过实验和数值模拟的方法进行的，可以充分地掌握涡流发生器的工作状态。涡流发生器的研究数据还是比较少，继续研究探索涡流发生器的机理，为流动机械能够更加安全稳定的发展提供条件。

参 考 文 献

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