热激励器用于高速射流主动控制的机理、方法及规律研究

高速、高雷诺数射流存在复杂的三维非定常大涡结构，其中相干涡系的形成、发展和消亡在很大程度上决定了吸气式发动机的性能，特别是排气系统的流动混合、稳定性及噪声影响。对高速、高雷诺数射流进行主动控制是富有挑战性的学术难题。本项目在对高速、高雷诺数射流中三种不稳定模式进行深入分析的基础上，探索热激励器用于高速、高雷诺数射流的主动控制机理；建立高频、高强度热激励器的热动力学模型、掌握应用热激励器增强剪切层混合和抑制噪声的规律；对高速、高雷诺数射流局部流动主动控制过程进行数值模拟、再现热扰动作用下，射流中大涡形成、破碎及消失的过程，揭示热扰动对射流中三种不稳定性的影响；通过实验验证热激励器控制高速、高雷诺数射流的效果，考察热激励器强度、扰动频率、幅度和位置的影响。本研究成果可深化人们对高速、高雷诺数射流流动结构和控制规律的认识，对未来超音速民用飞机和军用飞机的发展具有重要的科学意义和工程应用前景。

深入研究射流的流动结构及其不稳定性本质对我们理解许多相关的物理现象和本质有着重要的学术价值；同时，平面自由剪切流和轴对称射流还具有广阔的工程应用背景。这两种流动是吸气式发动机中普遍的流动形式，在很大程度上影响着吸气式发动机的性能。对其进行有效的局部控制可以增强混合、提高燃烧效率和降低污染。随着高速民用飞机和高超声速飞行器的发展，对高速射流流动控制提出更加严格的要求，即进一步增强混合，减低噪声、缩短高温射流核心长度。因此开展高速射流流动控制具有重要的学术意义和工程应用价值。..本项目采用数值和实验相结合的方法研究了热激励器用于高速、高雷诺数的平面剪切流和圆管自由射流的主动控制机理；掌握应用热激励器增强剪切层混合和抑制噪声的规律，考察热激励器激励强度、激励方式和热激励器位置的影响。..在三维剪切流动的数值模拟中，从激励幅值、激励频率和占空比的角度来研究这种热激励器的控制机理。结果表明： 1 ）激励作用下，剪切层内位于“热突起”区域下游的头部区域有明显低于基准态的湍动能和涡量值，剪切层厚度、平均湍动能和平均涡量值沿流向的增长均大于基准态； 2 ）提高激励幅值能得到更大的速度和压力的波动峰值，故激励幅值是影响激励效果最重要的参数； 3 ）低频激励作用可以抑制流动的高频波动。 4 ）当热激励器的激励幅值和占空比足够大时，其激励作用对流场的影响会有质的改变。..从大涡拟序结构发展的角度分析了热激励器对三维超音速圆管自由射流的控制机理。结果表明： 1) 热激励器形成的高温流体区域对下游流动产生了类似“物理突起”的阻流效果，头部高温区附近形成的高涡量区促进了射流剪切层的发展； 2) 在激励工况中，激励作用产生了更大的径向速度和周向速度波动，促进了发卡涡的形成；不同激励模式下，射流大涡结构的特点不同，造成了流动掺混效果的差异； 3) 气动噪声分布的频带很宽，激励作用能有效地抑制气动噪声中的高频成分；对于固壁噪声， m=+-4 工况的噪声明显高于 baseline，说明激励作用会加强固壁噪声。..在静止空气中采用大功率电阻的加入，得到了稳定的放电电弧，为进一步实验研究放电电弧对平面剪切流和圆管射流奠定了基础，同时发现在静止空气中，电弧附近空气温度升高，由于空气中浮力和热膨胀的作用，电弧的形态飘忽不定，导致电流电压的波动不具有一定的规律，这种状况渴望在高速流动中得到改善。