[发明专利]一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法

说明书

本发明属于流体力学流动控技术领域，具体涉及一种将零质量射流激励器阵列化并对对剪切层、大分离流场进行主动流动控制的方法。本发明所提出的方法通过将零质量射流激励器进行阵列，组成阵列喷流区，通过对喷流激励频率、喷流激励时序和喷流整体几何特征的控制，改善剪切层、大分离流场(例如空穴流动)，并可针对宽泛的来流速度范围(不可压缩流动、可压缩流动)和变化的来流角度调整灵活调整喷流参数，达到流动控制的目的。

技术领域

本发明涉及流动控制领域，特别是涉及一种将零质量射流激励器阵列化并在内埋弹舱舱打开以后进行主动流动控制的方法。

背景技术

零质量射流技术最早可以追溯到声学整流效应，即研究声音如何产生流动，这种现象由周期性边界层在静止的环境中产生的。在诸如管道或空腔等有限出口的狭小空间中，具有方向性的流动导致了声学整流效应，产生的流动将一定动量注入到环境中而质量通量为零，由于射流具有合成特征，因而被称为合成射流或自耦合射流。合成射流形成的内在机理在于孔/缝边缘处形成的涡环和涡环形成后在自诱导速度作用下向下游的迁移运动。

上世纪九十年代，美国乔治亚理工大学的Ari Glezer的研究小组首先研制成功了一种压电膜式的合成射流激励器。它是通过控制漩涡结构的融合来“合成”射流的。其结构是一系列不断向外扩展的非定常涡环(或涡对)，这列非定常涡环(或涡对)是由合成射流激励器振动膜的周期性振动工作，引起环境流体在激励器出口孔缝处周期性剪切分离向外喷射而产生的。由于在激励信号的一个完整周期内，通过激励器出口“流出”和“吸入”激励器腔体的流体质量流量相同。对外界环境来讲，激励器具有“零净质量效应”，所以又称为零质量射流。从本质上讲所谓零质量射流、合成射流及自耦合射流都是等价的。

单个零质量射流激励器产生的流场具有如下特点(如图2所示)：

a)独特的流场分区结构：在激励器“吸入”过程时，激励器喷口附近的一部分流体由外流环境进入腔体，而距出口一定位置处的流体继续向下游发展，两种流动之间存在合速度为零的“鞍点”，“鞍点”之内的流体(附面层)沿表面进入腔体，“鞍点”以外的流体则向下游迁移发展；

b)两种流动过程：“吸入”过程，周围的附面层沿激励器表面进入腔体；“喷出”过程，射流主要集中在中心线附近且方向性极佳；

c)两部分组成的“喷出”射流主流：一部分是激励器在“喷出”过程产生的中心喷流，另一部分是中心喷流和“涡环(或涡对)”向下游迁移过程中，对周围环境流体的“卷吸”、“引射”的“附着”外层流；

d)不断耗散的下游运动：零质量射流向下游运动过程中伴随着低压“卷吸场”存在，在迁移过程中，“涡环(或涡对)”的能量不断耗散，其相干结构逐渐消失，最终演化为散乱的湍流流动，直至与环境流体融为一体。

零质量射流的优点是：

a)不需要喷流工质，适合长时间工作；

b)吸入能量较低的附面层，喷出能量较高的射流；

c)通过对激励装置的控制可改变激励特性；

d)激励器机构较为简洁。

目前，国内外的前沿研究尚处于应用探索阶段。

发明内容

本发明的目的：

由于零质量射流本身具有复杂非线性系统的行为特征，因此它敏感地依赖于初始条件，目前零质量射流流动控制存在的一个主要问题是激励器的设计对于来流条件的变化十分敏感。同时，激励器在强可压缩流动(如超声速)条件下的控制效果不佳也是一个亟待解决的问题。此外，对于工程应用而言，通过单个或少数激励器尺寸的简单放大会带来很多其他问题(阻力增大、空间占用等)。