三电极等离子体合成射流激励器工作特性参数影响实验

采用放电测量和光学诊断技术对三电极等离子体合成射流激励器放电特性及流场特性进行了实验研究分析了放电电容、激励器腔体体积和射流出口直径对三电极等离子体合成射流流场分布及速度特性的影响.实验结果表明三电极等离子体合成射流激励器放电过程包含触发、放电增强、放电衰减和电弧熄灭4个阶段表现出典型的欠阻尼放电特征等离子体合成射流流场包含射流主流、"前驱激波"和复杂的反射波系.放电电容、腔体体积和射流出口直径均存在一阈值当电容和出口直径小于阈值、腔体体积大于阈值时"前驱激波"以当地声速(约345 m/s)恒速传播否则"前驱激波"则以大于345 m/s的速度传播且与射流速度呈现相同的变化趋势即随着放电电容和出口直径的增加而增大随着腔体体积的增加而减小.

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Reθ范围约为2600~4600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各分量的占比,对充分发展的湍流边界层进行1阶和高阶统计分析,包括形状因子、壁面律、平坦因子与偏斜因子、Reynolds应力、脉动涡量等,得到了剪切Reynolds数与动量Reynolds数之间的关系式,分析了湍流边界层壁面律的分层特性,发现湍流的间歇特性主要分布在y^(+)<30的区域,并且法向速度脉动的间歇性远高于另外两者,3个方向上的Reynolds应力分布和涡量分布都存在较大差异.通过两点相关性分析和Lagrange涡结构,对近壁区湍流结构进行了分析,包括流向平面和展向平面,发现流向脉动速度的相关区域流向尺度较长,呈现狭长的特性,并且流向平面的相关系数与壁面存在一定的夹角;而在边界层外层,流向速度脉动相关区域的流向尺度变短而展向尺度增加,呈现宽胖型.研究结果进一步加深了对超声速湍流边界层的认识,为下一步湍流边界层的流动控制奠定了基础.

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究基于Fluent软件采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜(Eulerian wall film EWF)模型得到的计算结果表明在合成射流或合成双射流的主动控制下阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是在高频合成射流的作用下机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区形成了水滴的真空区域.由于回流区内部水滴速度和质量分数较低改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形起到了虚拟气动外形的作用.

合成双射流与小型复合结构翅片组合散热参数影响

为了保证电子设备能有足够长的工作寿命并可以在高热流下安全运行,必须可靠而经济地解决高温设备的散热冷却问题.为解决狭小空间板翅式翅片强化换热能力有限的问题,基于纵向涡强化换热理论,提出了合成双射流与表面微凸起复合结构翅组合散热方法.利用Fluent数值模拟软件对合成双射流作用下的复合结构翅片内部气体流动特性及其强化换热特性进行了研究.仿真结果表明表面微凸起复合结构翅片的肋片附近Y方向涡量是传统光滑肋片的2倍以上,换热性能增加10%.合成双射流驱动频率在500 Hz时,具有均匀的温度分布以及更好的散热效果;合成双射流峰值速度下散热效率更好.

水滴结冰结霜及合成双射流的防霜防冰实验

对水滴结冰结霜过程及合成双射流作用时水滴结冰结霜过程分别进行了实验研究.实验中将半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,采用电子显微镜观测无合成双射流和开启合成双射流作用的水滴凝固结冰结霜过程.结果显示:水滴从下部向上逐渐凝固,并且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.由于水凝固为冰,密度减小、体积增大,使得水滴形态改变,顶端突出,变成锥形.由于合成双射流强迫产生对流换热,凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜,而是在水滴表面均匀形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移,霜的厚度并没有增加,并且水滴的高度降低,凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦,水滴与冷板平面的接触面积增加.

自维持合成双射流对超声速燃烧室凹腔质量交换特性影响研究

为了改善燃烧室凹腔与主流的掺混性能,提出了一种利用凹腔内压力差形成自维持合成射流的流场控制方法,在超声速冷流条件下,采用动网格技术对激励器的膜片振动过程进行模拟,详细分析了自维持合成双射流与凹腔相互作用的过程,研究了激励器出口位置、参数、凹腔构型以及来流Ma数等参数的影响。结果表明:加入自维持合成双射流激励器可以大幅提升凹腔的质量交换特性,减小气体在凹腔内的驻留时间;且激励器出口位置分布对控制效果影响较大,当激励器出口位于凹腔底部中间位置时,质量交换率最大能够提升49%。此外,凹腔构型以及来流条件都会影响自维持合成双射流对凹腔掺混的控制效果,在相同来流条件下,凹腔长深比越大,控制效果越显著,自维持合成双射流能使长深比L/D=7.76的凹腔质量交换率提升115%;对于同一凹腔,随着来流马赫数增加,激励器对凹腔质量交换特性控制效果提升更为明显,但改变振动膜片的振幅和频率对控制效果的改善不明显。

合成双射流激励器振动噪声特性

合成双射流激励器工作噪声远低于合成射流激励器工作噪声,但其噪声特性仍然限制了其应用于笔记本电脑、空调、冰箱等室内电子设备散热.为降低合成双射流激励器整体噪声,采用数值模拟的手段探究合成双射流激励器在不同边界条件下的振动噪声特性,为合成双射流激励器降噪设计提供指导.结果表明:压电振子与壳体的振动共同影响着激励器振动噪声声压级大小;夹持条件对振动噪声影响很大,压电振子处于夹支条件时,激励器的振动噪声声压级比压电振子处于简支时的激励器最大声压级低10 dB.

Flow Visualization of Supersonic Flow over a Finite Cylinder

The flow structures of a supersonic flow over a cylinder with a finite height are investigated using the method of flow visualization with nanoparticle-based planar laser scattering(NPLS),in a supersonic quiet wind tunnel at Ma=2.68.The complex structures of shock waves and three-dimensional vortices in a supersonic flow over a finite cylinder are visualized.Based on the time correlation of NPLS images,the time-space evolutionary characteristics of the coherent structures in a supersonic flow over a finite cylinder are studied,and the evolutionary characteristics of the coherent structure in the flow direction are obtained,which are used to identify the model and rotation direction of shedding vortices.