封面文章|李栋研究团队：分布式合成射流特性及其湍流边界层流动控制效果

来源：AMS力学学报英文版

今天分享给大家 AMS 2020年第6期的封面文章，来自西北工业大学李栋教授研究团队的最新研究成果Characteristics of array of distributed synthetic jets and effect on turbulent boundary layer。让我们了解一下分布式合成射流特性及其湍流边界层流动控制是如何达到减阻12%的效果吧！

Cite this article

Lu, L., Li, D., Gao, Z. et al. Characteristics of array of distributed synthetic jets and effect on turbulent boundary layer. Acta Mech. Sin. (2020). https://doi.org/10.1007/s10409-020-01001-x

文章亮点

西工大李栋教授研究团队依据湍流边界层里低速条带与发卡涡的无量纲尺度，设计了一套分布式圆孔合成射流阵列，用于湍流边界层流动控制，使得阵列下游表面摩擦阻力减小。从飞行器设计的角度看，在机身机翼等部位的湍流边界层流动控制中，基于更低程度的当地几何外形破坏，圆孔比大尺度的狭缝有更高的工程应用价值。本文实验获得的以Cfx/Cfx0表征的最大表面摩擦阻力减小率约为12%。

研究背景及意义

文章采用分布式圆孔合成射流阵列控制充分发展的湍流边界层。研究表明合成射流引起的上洗效应抬升了流向涡，减少了低速条带的产生，湍流猝发强度减弱，合成射流阵列下游区域表面摩擦阻力减小。合成射流应用于湍流边界层流动控制时，激励频率是比激励强度更重要的一个参数，较高的激励频率带来更高的减阻率。本文工作可以为湍流边界层减阻研究提供参考。

研究进展

减阻是飞行器设计的一个永恒主题。众所周知，粘性阻力—主要是边界层流动与飞机表面相互作用引起的摩擦阻力—大约占飞行条件下总阻力的50%，这导致了巨大的燃料消耗和环境污染。减小摩擦阻力对改善民机性能、降低民机运营成本有重要意义，即使只减少1%的表面摩擦阻力，也会大大提高空中交通运输效率。一般来说，湍流边界层流动的表面摩擦阻力是层流边界层流动的10倍，而在飞行条件下，湍流边界层始终大比例占据机身、机翼表面，所以，湍流边界层减阻对飞行器设计有着十分重要的意义。近几十年来，人们致力于湍流边界层减阻的研究，并提出了许多被动和主动的流动控制策略，合成射流是其中非常有潜力的一种。

本文首先利用信号发生器、功率放大器、扬声器、示波器建立了一套声学式合成射流激励器。依据湍流边界层里低速条带与发卡涡的无量纲尺度，设计了一套包含893个圆孔的分布式合成射流阵列。合成射流激励器与阵列配合，生成分布式合成射流。利用热线风速仪测量了不同激励条件下分布式合成射流的速度特性，确定了分布式合成射流的三维参数空间（激励频率—激励电压—时间平均最大吹气速度）。

结果显示，吹气在一个完整的合成射流周期中占据主导地位，其对外界环境的影响强于吸气。激励频率  f = 5 Hz 和 f = 100 Hz 对应着更高的吹气速度，使得分布式合成射流的参数空间显示出一种“两边高，中间低”的马鞍形状，如图1所示。

图1分布式合成射流的参数空间

然后基于分布式合成射流的参数空间，依据“频率相同而吹气速度不同，吹气速度相同而频率不同”的原则，选择合成射流的激励条件，研究了合成射流频率（等于激励频率）、合成射流强度（对应时间平均最大吹气速度）对湍流边界层流动控制的效果，并选择典型激励条件，研究了合成射流在一排射流孔的下游以及两排射流孔中间区域对湍流边界层控制效果的差异，以及合成射流在流向的作用范围。

合成射流在一排射流孔的下游以及两排射流孔中间区域均产生了减阻效果，在射流孔下游的减阻效果更明显。合成射流抬升了流向涡的位置，增厚了粘性底层，从而引起摩擦阻力的减小。合成射流引起的减阻效果在流向体现出由弱变强、再变弱的规律。

脉动速度的功率谱密度和自相关性分析表明合成射流的作用效果沿流向逐渐减弱。在合成射流的作用区域内，VITA方法检测到近壁区湍流猝发强度弱于基本流。湍流猝发变弱与表面摩擦阻力减小直接关联，进一步说明了合成射流应用于湍流边界层流动控制产生减阻效果。

本文还发现，合成射流应用于湍流边界层流动控制减阻时，频率是比强度更重要的一个参数。在本文的实验设置下，更高的频率产生更强的减阻效果。

基金资助信息（中文）

本项目由中欧航空科技合作项目“基于湍流边界层流动控制的减阻技术（DRAGY）”（MJ-2015-H-F-106）资助。

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           责任编辑：张烨文

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