超声速气流中激波/边界层干扰微射流控制研究进展

2022-10-11杜兆波钟翔宇

航空兵器 2022年4期

徐浩，杜兆波，钟翔宇，黄伟

(国防科技大学空天科学学院，长沙 410073)

0 引言

激波/边界层干扰(SBLWI)是超声速飞行器中较为普遍存在的一种耦合现象。超声速飞行器表面或者内流场存在物面角度急剧变化时，高速来流会被迫剧烈压缩，产生激波，由于粘性效应在壁面生成的边界层和激波相遇，便会发生二者相互作用的现象，即激波/边界层干扰现象。其典型示意如图1所示。

图1 激波/边界层相互作用示意图[2]

激波/边界层干扰使得飞行器内外流场发生畸变、气流的粘性耗散增加，引起巨大的能量损失。另外，激波/边界层干扰所带来的流动分离会使飞行器的阻力增加、机翼发生颤振，严重时可导致飞行器失速，造成严重后果。在进气道中，激波/边界层干扰使得有效进气面积减小，严重时将导致进气道不起动，干扰进气道的正常工作。因此探寻对激波/边界层干扰进行有效控制的方法是十分必要的。

由于超声速飞行器在实际工作时流场中的激波/边界层干扰现象难以避免，故而对激波/边界层干扰现象进行控制的方法应运而生，这些方法统称为流动控制技术。根据流动控制方法是否使得非目标流场和目标流场发生任何质量、能量的交换，将现有的控制手段分为被动流动控制和主动流动控制两大类。被动控制方法包括壁面鼓包、涡流发生器、边界层抽吸等，这类控制方法只能在设计工况下发挥出较优异的性能，在飞行器偏离设计工况的情况下，被动控制方法往往会使飞行器的性能下降。主动流动控制方法可根据飞行器所处实际工况进行适当的调整，适应性更强，可显著提高飞行器性能。当前研究较广泛的主动流动控制方法包括等离子体流动控制、磁流体流动控制、微射流流动控制等。其中，微射流控制方法，也被称为微射流涡流发生器控制方法, 是当前研究激波/边界层干扰控制的热点。微射流控制方法中的微射流孔径通常在1 mm以内，可有效减少应力集中，并且可根据实际情况选择打开或者关闭，关闭时可避免附加阻力的影响，保证飞行器的气动性能。目前通过数值模拟已经验证了微射流阵列在超声速混压式进气道中对激波/边界层干扰进行控制的有效性。微射流控制激波/边界层干扰的相关实验也已广泛开展，在低压涡轮叶片实验中，微射流阵列对边界层分离控制的有效性已经得到了验证。因此, 本文总结了近年来微射流流动控制方法在激波/边界层控制方面的研究进展，以期为相关研究提供参考。

微射流涡流发生器通过射流与来流相互作用，产生不稳定的流向旋转涡对，将靠近边界层的高能流与边界层内的低能流掺混，提高了边界层内流体抵抗逆压梯度的能力，减少了分离。同时，微射流在来流作用下产生弓形激波，可有效减弱下游分离激波的强度。微射流涡流发生器的这些特点使得其在超声速飞行器的内外流流动控制中具有广泛的适用性。

多年来，学者们对微射流涡流发生器控制激波/边界层干扰进行了广泛的数值模拟和实验研究。根据实际研究中微射流控制范围广度的不同以及微射流在流场中的形态是否可变，可将微射流控制方法分为单孔微射流控制和多孔微射流阵列控制两大类。

1 单孔微射流流动控制研究进展

关于单孔微射流涡流发生器对激波/边界层干扰现象控制的研究较少，且主要集中在对射流喷注压比、射流速度等影响因素的研究。

薛大文等基于大涡模拟的方法，选择了高阶TCD/WENO混合格式，设定来流马赫数为2.5，对加装激波发生器的平板进行了激波/边界层干扰控制的模拟。结果表明，微射流的引入可将总压恢复系数提升至94.5%，比无控情况提高了8.7%。图2为有、无控制下对称面上的密度等高线图。微射流产生马蹄涡、入射激波、剪切涡等结构，这些结构相互作用，致使激波向下压缩尾流，各涡流相互作用，产生更多的小涡结构，使得边界层内低能流动量增加，从而抑制了流动分离。图3为射流与超声速来流作用下的尾流涡结构。

图2 对称面上的密度等高线图[25]

2019年，Liu等以来流马赫数2.9、压缩拐角24°为基础模型，探究了不同喷注总压下垂直来流方向的微射流涡流发生器对SWBLI的控制效果。结果表明，微射流作用下，分离激波强度减弱，微射流与来流耦合形成正、反向旋转涡对，将高能流注入到边界层内，增强了边界层抵抗逆压梯度的能力。研究表明，射流总压与来流总压比值为0.6的情况下，拐角分离区的面积被减少了将近70%，激波强度被削弱了近12%，激波交汇点和壁面的距离缩短了近37%。图4为微射流涡流发生器作用下产生的流向涡对结构。

图3 超声速来流与射流作用下的尾流涡结构[25]

图4 微射流涡流发生器作用下产生的流向涡对结构[26]

Pour等的研究表明，使用直径为1 mm的圆孔微射流，提高微射流的速度可以使涡流强度显著增加，涡流的总耗散处于距离微射流更远的位置，较低射流速度下，主要涡流在离微射流很近的位置形成，形成过程不易观察。图5为涡流耗散与速度等值线图。

一方面，关于单孔微射流控制激波/边界层干扰的机理性研究尚不够深入，另一方面，单孔微射流的研究集中在数值模拟方面，如何有效地开展相关实验值得思考。

2 微射流阵列流动控制研究进展

单个微射流涡流发生器在流场控制中只能控制某一特定区域的流动，要想在流场中产生平行或者聚集的形态，扩大微射流涡流发生器的控制范围, 就必须增加微射流涡流发生器的个数，达到多个或者多排微射流涡流发生器联合产生更多流向涡流以获得控制流场的更优效果。针对影响微射流阵列控制激波/边界层干扰效果的各种因素，学者进行了广泛的研究，主要集中在微射流孔型、孔径、微射流与来流总压比、微射流间距、微射流倾斜角与俯仰角等方面。

图5 涡流耗散与速度等值线图[27]

2.1 孔型影响

Huang等的研究表明，对于延展向对齐排列的三个矩形微射流阵列，较大的纵横比有利于射流近流场的混合，减少射流上游产生的回流区大小，射流与来流的压比和射流孔间距都对流场的混合有所影响。Scialabba也进行了关于微射流孔型对激波/边界层干扰控制的相关实验研究，微射流孔型主要包括椭圆型、三角形、不同纵横比的矩形等，射流孔型如图6所示。结果显示，尖角面向来流且为30°的三角形微射流阵列减小了下游的分离区面积，同时非圆形射流孔增加了流场的复杂性。

图6 非圆形微射流孔示意图[30]

当前，微射流孔型对激波/边界层干扰控制效果的研究相对较少，不同孔型的控制优劣尚有待挖掘。

2.2 孔径影响

Szwaba对单排微射流阵列进行了实验研究，其实验结果表明，微射流孔径和边界层厚度的比值应匹配适当，以达到对分离区域的最佳控制效果。随后，Szwaba重点研究了相同注入压比情况下微射流直径对激波/边界层干扰引起的边界层分离区域的控制效果。结果表明，射流的引入，增强了高能流与边界层内近壁面低能流的掺混，减小了位移厚度、边界层厚度和分离区大小，减弱了分离趋势，微射流阵列作用下，分离区的面积减少了60%。同时表明，在相同条件下，较大直径的微射流阵列对边界层内低能流速度的增加更有利，较小直径的微射流阵列更有利于增加分离区的稳定性，使激波的振荡和强度显著降低。

综合分析，小尺寸的微射流孔在激波/边界层干扰控制方面更具优势。

2.3 射流与来流总压比影响

Souverein等采用实验方法(微射流孔直径为0.8 mm，射流间距为9 mm)探究了延展向排列的连续微射流阵列于上游喷射对激波/湍流边界层作用的影响。结果表明，微射流阵列对激波/边界层相互作用的影响，表现在对平均速度剖面以及积分参数的修改，每个与展向呈45°倾角的微射流孔都会产生一对反向旋转涡对，远离壁面的涡流强度要大于靠近壁面的涡流强度，且二者的旋转速率均较小，对边界层的扰动有限。微射流阵列的引入可有效减小分离区的大小，但不能完全抑制分离区的产生。图7为微射流阵列产生的涡流角速度等值面与纵向速度等值线图。

图7 角速度等值面与纵向速度等值线图示[33]

Ali等采用装有48个间隔为1.7 mm、孔直径为0.4 mm的单排微射流阵列，对拐角为24°的压缩拐角进行了来流马赫数为2的实验研究，对斜坡在激波/边界层干扰作用下产生的分离进行了波动压力测量和流油可视化。实验装置如图8所示。

图8 斜坡微射流阵列实验装置[34]

结果表明，微射流阵列在超声速横流中产生斜激波，斜激波强度随微射流总压力与来流滞止压力比值的增大而增强，致使分离激波前的马赫数降低，从而使分离激波减弱。微射流阵列控制下，分离激波下游壁面平均压力最多减少了7%，斜坡壁面平均压力最多减少了25%，同时，分离区的壁压波动显著减少，间歇区域面积也显著减少，达40%以上。实验压力谱表明，上游壁面和斜坡的稳定性显著增强。图9为不同射流压比下微射流阵列控制效果纹影图。

图9 不同压比下微射流阵列控制效果纹影图[34]

同年，Kumar等在超声速横流中运行高动量稳定微射流阵列(射流孔直径为0.4 mm)产生了单道和多道斜激波。图10为多排微射流阵列及激波示意图。多排微射流作用下，可根据微射流总压与来流滞止压力比值使微射流阵列产生的斜激波呈平行或者聚集的形态，多道斜激波可依次使来流减速，有效缓解强压缩下的不稳定。图11为微射流阵列不同压比下产生的集束激波实验纹影图。作为激波强度量度的激波角随着微射流总压与来流总压的比率()的增加而增加。微射流作用下产生的大量涡流，增强了混合能力。Gerdroodbary等的研究也得到了相同的结果。

图10 微射流阵列及激波示意图[28]

Ramaswamy等对单排微射流阵列的研究表明，微射流与来流总压比过小, 引起的射流与射流之间的相互作用较弱; 射流与来流总压比过大, 引起的较大射流阻塞作用会导致控制效果的减弱。因此, 必须选取合适的微射流与来流总压比, 才能获得最佳的激波/边界层控制效果。图12为不同微射流与来流总压比下的流油可视化，虚线表示微射流阵列诱导的激波。另外，在较低的射流压力下，将两排微射流阵列以锯齿状的形式排列, 可提高控制效果。

图11 双微射流阵列产生的集束激波实验纹影图[28]

图12 不同微射流与来流压比下的流油可视化[37]

合理的射流与来流总压比有利于增强对激波/边界层干扰现象的控制效果。另外，通过调节射流与来流总压比，改变射流产生的斜激波形态，可满足不同条件下的研究需求。

2.4 射流间距影响

Gerdroodbary等的研究表明，微射流阵列中射流孔间距与射流下游的混合效果密切相关。射流间距的缩小使得微射流阵列的控制效果倾向于单孔射流，随着间距的增大，射流所处的空间自由度增大，单个微射流在流向上的发展更加自然，可以产生更多的反向旋转涡对(CVP)。该研究对微射流阵列射流间距的相关控制方法研究具有一定的参考价值。

Ali等对不同间距微射流阵列的研究表明，微射流注入主流后，会形成一对流向反向旋转涡对(CVP)。展向间距较大的微射流阵列，旋转涡对存在相干性，并表现出与单个射流相似的三维特性。随着射流孔间距的减小，这种三维特性逐渐向二维特性转变，CVP的强度逐渐减弱。研究认为，较大间距的微射流阵列适合需要更大涡量的场景，如超声速燃烧室；较小间距的微射流阵列更倾向于提供更加均匀的压缩气流。微射流阵列在来流作用下产生的激波角与射流压力呈线性变化，不同微射流阵列产生的激波角与动量系数成比例。Chidambaranathan等的研究表明，随着微射流展向间距的减小，微射流之间存在相互作用，使得控制效果恶化。

Ramaswamy等通过实验研究了沿展向倾斜45°的单排圆孔微射流间距对流动分离的控制效果。结果表明，射流的注入引起分离气泡产生强烈的波纹，提高了分离区抵抗逆压梯度的能力，射流孔间距与边界层厚度呈一定比例时的控制效果最好。射流产生的流向涡流在沿微射流孔中心线方向对分离区的控制效果要优于对两射流间分离区的控制效果。图13为沿微射流孔中心线和微射流间两跨度位置流速图，白色虚线为零速度等高线。在文献[37]中，通过实验发现，微射流间距的改变导致射流间的相互作用关系发生变化，改变了射流产生的弓形激波的强度，同时影响到射流产生的流向涡流。随着射流间距的增加，激波引起分离区的面积先增加后减少，如图14所示。在文献[44]研究中发现，微射流产生的涡流强烈地改变了激波/边界层干扰区域的平均流动组织结构，将接近二维的分离线转变为波纹分离线，射流孔间距为0.76倍边界层厚度时的控制流动分离效果最好，微射流的注入会产生高剪切应力，增强了湍流混合度。图15为基线情况下和微射流不同展向位置的雷诺剪切应力分布，红色虚线表示零速度轮廓。随后，Ramaswamy等采用相同布局的微射流阵列对不同角度压缩拐角产生的分离区的控制效果进行了研究，表明相同微射流阵列对更大拐角角度下的分离区的控制效果更佳。

图13 微射流阵列不同位置流速图[43]

图14 不同射流间距与无微射流阵列控制下的流油可视化[37]

图15 基线情况下和微射流不同展向位置的雷诺剪切应力分布[44]

Huang的研究表明，对于沿流向对齐排列的三个圆形微射流阵列，射流孔之间的间距控制在足够短的情况下，微射流阵列在来流作用产生的激波强度最强，微射流的穿透深度最大，另外，射流所产生的分离区随着射流间距的增大而增大。

Pour 等对双孔微射流涡流的相互作用情况进行了研究。结果表明，改变射流孔径与射流孔间距的比值和两孔射流方向，可使双孔微射流产生的两个涡流以合并、相互强干扰、相互弱干扰的情况影响流场。射流间距小且两孔同向的情况下，两个涡流合并，涡流强度显著增强，对流动的影响更大，消散的时间更长。射流间距小且两孔反向的情况下，两个涡流旋转方向相反且对称，两股涡流先靠近后远离，存在相互干扰的涡流之间的速度变化剧烈。射流间距大且两孔同向的情况下，两个涡流相互干扰较弱，但是二者的长程差有所差异。

Gahlot等对包含了2个、 4个或5个微射流孔的阵列进行了进气道内流场控制的数值仿真研究，微射流阵列被安置在压缩斜坡表面的特定位置。在微射流注入压力保持恒定的情况下，三种射流方案下的总压恢复系数均有所提高，其中包含了4个微射流孔的阵列对混压式进气道的流场改善效果最好。这与射流孔之间的间距关系密切，研究认为，只有射流孔间距和射流压力相匹配的情况下，单排微射流阵列对流场中的激波引起的分离控制效果才能达到最优。图16为微射流阵列对进气道斜坡表面的影响图示。另外，适当组合微射流阵列射流孔的数量和射流压力，可以提升混压式进气道在不同工况下的性能。

图16 微射流阵列对进气道斜坡表面的影响[50]

通过改变微射流孔间距，微射流阵列所产生涡流的形态发生变化，使得射流形态表现出二维、三维特性，可实现对激波/边界层干扰控制效果的动态调节。

2.5 射流倾斜角与俯仰角影响

Chidambaranathan等使用了22°激波发生器，在来流马赫数为3.5的条件下，基于倾斜角、俯仰角的变化研究了单排微射流阵列对边界层分离的控制效果。发现微射流阵列在倾斜角为180°、俯仰角为45°时，微射流阵列控制分离的效果最好。图17为微射流阵列倾斜角和俯仰角示意图。

图17 微射流阵列倾斜角α和俯仰角β示意图[51]

Verma等针对微射流阵列在激波/边界层干扰控制方面做了系列研究，结果显示射流倾斜角、俯仰角以及射流孔间距对边界层分离区大小以及分离区范围内激波不稳定程度的控制效果紧密相关。随着俯仰角的增大，微射流前的弓形激波强度随之增大，射流与射流间距过小(间距为微射流孔径3.6倍时)会导致射流与射流间的相互作用加大，不利于减小分离区的大小。

综合分析，大倾斜角下的微射流阵列对分离区的控制效果更加明显，合理搭配射流倾斜角、俯仰角以及射流孔间距，可有效增强对分离区的控制效果，同时使得射流压力在低于自由来流总压的情况下也能有效地执行，降低对能量的需求。