基于合成冷/热射流的边界层流动耦合控制机理研究

Boundary layer flow control plays an important part in enhancing / weakening flow stability, delaying / accelerating flow transition, suppressing / promoting flow separation and so on, in order to achieve lift increase, drag reduction, noise reduction, vortex elimination, vibration reduction and stealthy function of vehicles. As a result, it has wide uses in military / civil fields and good development prospects. The project has proposed a new coupling control method for boundary layer flow using synthetic cold / hot jets based on a high-performance synthetic jet actuator invented by our group. This method combines the advantages of the velocity boundary layer control (using synthetic jet) and temperature boundary layer control (using cold / hot jets), which can enhance the capability to control the boundary layer flow and realize the effective control of the boundary layer induced by a high speed / hypersonic flow using a low momentum synthetic jet. The fine flow field of synthetic cold / hot jets interacting with boundary layer flow is acquired through numerical simulations and high-resolution flow visualization techniques. The flow characteristics including flow structures, spatial evolution and dynamics features are investigated according to vortex structures, velocity fields and density fields. Then, the evolution behavior of the induced vortex is explored. The control effect of velocity-thermal coupling control mode is compared with that of velocity boundary layer control mode. The evolution behavior of instability waves and the features of different disturbance modes within the boundary layer are analyzed. Finally, the coupling control mechanisms of synthetic cold / hot jets on the boundary layer flow are revealed.

边界层流动控制能起到增强/减弱流动稳定性、推迟/加速转捩、抑制/促进流动分离等作用，从而实现航行器增升、减阻、降噪、消涡、减振和隐身等功能，具有广泛的军民两用背景和良好的发展前景。本项目基于课题组发明的高性能合成双射流激励器，提出了合成冷/热射流边界层流动耦合控制新方法，该方法结合了速度边界层控制（合成射流）和温度边界层控制（冷/热射流）的优势，能增强对边界层流动的控制能力，实现低动量合成射流对高速/高超声速边界层流动的有效控制。通过数值模拟和高分辨率流场显示技术，获得合成冷/热射流与边界层相互作用的精细流场结构，从涡结构、速度场和密度场等方面研究流场的流动结构、空间演化和动力学特性，分析诱导发卡涡的演化特性，对比速度边界层控制模式和速度-温度边界层耦合控制模式对边界层流动的控制效果，分析边界层内不稳定波的演化规律和不同扰动模态的特征，揭示合成冷/热射流对边界层流动的耦合控制机理。

边界层流动控制能增强/减弱流动稳定性、推迟/加速转捩、抑制/促进流动分离等作用，从而实现飞行器增升、减阻、降噪等功能。本项目着眼于边界层主动流动控制应用需求，基于课题组发明的高性能合成双射流激励器，提出了合成冷/热射流边界层流动耦合控制新方法。该方法耦合速度型和温度型控制的优势，增强了对边界层的控制能力，实现低动量合成射流对高速边界层流动的有效控制。项目通过数值模拟和高分辨率流场显示技术，获得了合成冷热射流及其与超声速边界层流场相互作用的流场结构，揭示了合成冷热射流对边界层流动的耦合控制机理。.本项目开展了合成冷/热射流激励器的工作特性研究，研究了合成冷/热射流控制参数对流动结构及相互作用特性的影响规律，建立了激励器能量转换效率的计算模型，分析了不同参数下能量转换效率的变化规律。开展了合成冷/热射流对平板边界流动的控制机理的研究，分析了合成冷/热射流控制参数对平板速度边界层和温度边界层的影响规律，分析了边界层内不稳定波的演化规律和不同扰动模态的特征，揭示了合成冷/热射流的耦合控制机理。开展了合成冷/热射流对平板突起物引起的边界层流动分离的控制研究，分析了合成冷/热射流与边界层流场的相互作用特性，研究了流场的特征结构、空间演化和动力学特性，对比速度边界层控制和速度-温度边界层控制对边界层流动分离的控制效果，揭示了合成冷/热射流对边界层流动分离的耦合控制机理。.以本项目为支撑，共发表学术论文30余篇，其中SCI检索10余篇，申请发明专利5项，授权3项，获省部级科技奖2项。项目成果在国内外学术会议上交流4次。