斜出口合成射流组流场特性PIV 实验研究

李斌斌，顾蕴松，程克明

(1.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000； 2. 南京航空航天大学 空气动力学系，南京 210016)

0 引 言

合成射流又称“零质量”射流，其主体部件由激励器腔体、振动膜和射流出口组成［1］。它的工作原理是在激励信号的驱动下，振动膜产生周期性振动，将输入的电能转化为振动膜的动能，从而在激励器出口处产生非定常射流。与传统的被动和主动流动控制方式相比［2-4］，合成射流具有无需气源供应系统、结构简单、响应快、工作频带宽和零质量流率等特点。非常适合在飞行器表面进行分离流动控制，可显著增强飞行器的机动性，扩大飞行航程。经过合理布置的合成射流激励器可部分代替飞行器的控制操纵面，降低系统的复杂性和结构重量，有利于改善飞行器气动性能，增加飞行器设计的灵活性。

合成射流激励器作为形成合成射流的重要部件，其设计水平和工作性能决定了合成射流的应用领域和应用效果，如何对其高效设计，以小的能耗获取高的控制效益，是合成射流应用于主动控制的关键［5］。目前，国内外在合成射流形成机理［6-8］、气动力控制［9-11］、射流矢量控制［12-14］、增强燃烧掺混［15-16］等方面进行了大量实验和数值模拟研究。综述目前对合成射流开展的研究发现，大多是针对单出口形式合成射流进行的，对多出口形式下合成射流的研究工作较少，尤其是对多出口下相邻射流间相互作用的研究仍比较缺乏。本文在对单斜出口合成射流研究的基础上，提出了斜出口合成射流组的概念，有效提高了斜出口合成射流激励器的能量利用效率，应用PIV 相位锁定技术对斜出口合成射流组流场特性进行了研究，并对出口间距比参数变化对合成射流组沿壁面动量输运的影响特性进行了初步探讨。

1 实验模型与测试技术

1.1 斜出口合成射流组

本文提出的斜出口合成射流组设计思路是基于单出口合成射流激励器，并排开有多个射流出口，同时改变相邻射流出口间的间距比，来研究上述参数对斜出口合成射流组流场特性的影响。

图1 为作者设计的斜出口合成射流组激励器模型，激励器主腔体尺寸为：150mm ×150mm ×80mm，射流出口长度L 和宽度H 为60mm×5mm，射流出口与壁面夹角θ 为30°，相邻间距比S/H 可调，所用扬声器规格为40W，8Ω。合成射流激励器驱动信号由信号发生器产生正弦波，经功率放大器放大来驱动扬声器振动膜进行往复运动。

图1 斜出口合成射流组Fig.1 Beveled orifices of synthetic jet arrays

1.2 合成射流PIV 流场测试系统

斜出口合成射流组流场测试采用TSI 公司二维PIV 系统，该测试系统主要由双脉冲YAG 激光器、PIVCAM10-30 互相关CCD 数字相机、同步器、片光组件、操作与控制系统组成。

图2 合成射流PIV 测试系统Fig.2 Synthetic jet PIV testing system

实验中为获得斜出口合成射流组流场随时间变化的周期性特性，采用相位锁定技术进行了条件采样。PIV 实验测速系统精度为2%，空间分辨率为1.6mm。为满足示踪粒子的投放密度和流场均匀性，实验中采用香燃烧产生的烟作为示踪粒子，其浓度易于调节，可满足测量的需要。

2 结果分析与讨论

2.1 斜出口合成射流激励器流场特性

图3 给出了激励器喷出段与吸入段，斜出口合成射流激励器PIV 流场测试结果。

图3 斜出口合成射流激励器流场特性Fig.3 Flow field characteristics of beveled orifice synthetic jet actuators

由图可知：(1) 喷出段： 射流出口左侧形成的集中旋涡，可以对主流边界层内小尺度涡结构进行调控；右侧形成沿壁面的附壁射流，有利于增强主流边界层底层能量；(2) 吸入段： 出口左侧形成的强卷吸区有利于将主流中高能量流体引入到近壁区，进而与边界层内低能量流体进行掺混；右侧形成沿壁面的附壁射流区。在整个工作周期内，斜出口合成射流激励器均能够发挥其控制作用，非常适合于边界层流动控制的研究。

但在实际流动控制应用中，考虑到往往所需要控制的流场区域面积较大，单出口合成射流激励器射流流场发展到一定阶段后，沿射流出口下游水平方向的速度分量会衰减，使得合成射流的控制效果大大削弱，甚至有可能起不到控制作用，为此作者提出了斜出口合成射流组的概念，并对其流场特性及控制特性进行了研究。

2.2 斜出口合成射流组非定常流场特性研究

所谓斜出口合成射流组是在单斜出口合成射流激励器的设计基础上，并排开有多个射流出口，并改变相邻射流出口间距比参数。图4 给出了激励器工作电压U =3.7V，频率fs=80Hz，相邻射流出口间距比S/H=3.0 时，双缝与三缝斜出口下合成射流喷出段与吸入段的瞬态流场特性。

由图可知，(1) 喷出段： 喷出的流体在出口左侧尖锐边缘由于受到强剪切作用，在出口处会形成强的旋涡结构，出口右侧形成沿壁面的附壁射流； ( 2) 吸入段：出口左侧的环境流体被引入到近壁区，出口右侧流体由于涡的自诱导与射流附壁效应，呈现沿壁面切向的动量输运特性。

不同之处在于，三缝与双缝、单缝相比，在每个射流出口处都会形成强的旋涡与沿壁面的附壁射流，由于旋涡的诱导作用、射流沿壁面的附壁效应及相邻射流出口间旋涡与附壁射流所形成的相互连续诱导运动，斜出口合成射流组更有利于将主流中高动量流体沿物面切线方向引入到边界层底层，从而增加边界层底层能量分布，达到延迟分离流动控制的目的。

图4 斜出口合成射流组瞬态流场特性( S/H=3.0)Fig.4 Instantaneous flow field characteristics of beveled orifices of synthetic jet arrays

图5 给出了出口间距比S/H =3.0，双缝和三缝斜出口下，合成射流沿壁面切向的速度分布。

由图可知，三缝斜出口下合成射流沿壁面切向的速度分布要优于双缝，合成射流具有沿壁面切向更强的动量输运特性，且流体沿壁面的流动更贴近于近壁面区。

图5 合成射流沿壁面切向速度分布( S/H=3.0)Fig.5 Tangential velocity distribution along the wall of the synthetic jet

2.3 间距比变化对合成射流组流场特性的影响

对双缝和三缝斜出口合成射流组流场特性进行了研究，结果表明三缝斜出口下合成射流组具有沿水平方向更强的射流速度分布，更加有利于进行边界层流动控制。那么，当相邻射流出口间距比变化时，斜出口合成射流组沿水平方向的横流输运特性如何?

图6 以三缝斜出口合成射流组为例，给出了相邻射流出口间距比为1.6 和3.0 时，合成射流沿出口切向的速度分布特性。

由图可知，当相邻出口间距比为3.0 时，合成射流具有沿壁面切向更强的动量输运特性，体现为合成射流沿壁面切向具有更高的速度分量。说明射流出口间距比对斜出口合成射流组沿水平方向的动量输运特性具有重要影响。为了对这一特殊现象进行解释，图7 给出了间距比变化时斜出口合成射流组流场结构示意图。

由图可知，单缝斜出口合成射流沿水平方向的动量输运特征，主要来源于出口左侧旋涡的诱导作用及射流沿壁面的附壁射流效应。对于斜出口合成射流组，当射流间距比较大时，受相邻射流出口间旋涡与附壁射流诱导作用范围的限制，相邻射流出口间无法形成接力诱导作用。当射流间距比较小时，以S/H=1.6 三缝斜出口为例，由于旋涡诱导与附壁射流间形成的流场速度梯度差方向相反，受第一斜出口射流冲击作用的影响，在第二斜出口处形成的旋涡强度减弱，旋涡与附壁射流相互耦合后流体受到的速度梯度差减小，使得第二斜出口处旋涡与附壁射流间形成的接力诱导作用减弱。因此，斜出口合成射流组间形成的相互连续接力诱导特征存在于一定范围的间距比。

图6 间距比对合成射流沿切向速度分布特性的影响Fig.6 Impact of spacing ratio the to the tangential velocity distributions of synthetic jet

图7 斜出口合成射流组流场结构示意图Fig.7 Sketch of the flow field of beveled orifices synthetic jet arrays

2.4 斜出口合成射流组流动控制效率探讨

为了对斜出口合成射流组流动控制效率进行探讨，对斜出口合成射流组沿射流出口水平方向的质量和能量变化特性进行了PIV 流场数据的积分处理。图8 给出了激励器工作电压U =3. 7V，频率fs=80Hz，相邻射流出口间距比S/H =3.0 时，单缝、双缝和三缝斜出口下合成射流质量和能量沿水平切向的变化特性曲线。

由图可知，在同样的合成射流激励器能量输入情况下，三缝与双缝和单缝斜出口相比，合成射流具有沿壁面水平方向更强的质量和能量分布，说明在三缝斜出口情况下，合成射流能够更加有效地对射流出口流场进行调控，使得合成射流具有沿射流出口水平方向更强的能量输运，更加利于边界层流动控制。

图8 斜出口合成射流组质量和能量沿水平方向的变化特性Fig.8 The variation characteristics of mass and energy in the horizontal direction of beveled orifices synthetic jet arrays

3 结 论

提出了斜出口合成射流组的概念，应用PIV 相位锁定技术对斜出口合成射流组非定常流场特性进行了研究，并针对出口间距比参数变化对合成射流组沿壁面切向动量输运的影响特性进行了初步探讨，主要结论有：

(1) 提出了斜出口合成射流组的概念，有效提高了斜出口合成射流激励器的能量利用效率。

(2) 斜出口合成射流组具有沿壁面更强的动量输运特性，主要来源于旋涡间的诱导作用、射流沿壁面的附壁效应及相邻射流出口间旋涡与附壁射流所形成的相互“耦合诱导”运动。

(3) 射流出口间距比是影响合成射流组动量输运特性的重要参数。当射流间距比较小时，受斜出口射流冲击作用的影响，旋涡诱导与附壁射流间流体受到的速度梯度差减小，使得斜出口处旋涡与附壁射流间形成的相互接力诱导作用减弱。当射流间距比较大时，受相邻射流出口旋涡与附壁射流诱导作用范围的限制，相邻射流出口间无法形成接力诱导作用，合成射流沿壁面的动量输运特性也会减弱。

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