自激旋进射流的湍流混合特性与主动控制机理研究

As self-excited precessing jets can significantly enhance turbulent mixing, they have broad application prospects in energy, power and other fields. However, the change of nozzle structures and application conditions will cause dramatic alternations of self-excited precession as well as the characteristics of turbulent mixing, even lead to the disappearance of the self-excited precession. Thus, it is of great significance to research the turbulent mixing characteristics and control mechanism of self-excited precessing jets. By combining PIV technology, hot-wire anemometer and flow visualization, the project will study the evolution of turbulent structures in a self-excited precessing jet and its impact on the transport properties of turbulent energy among different turbulent scales, to reveal the influence mechanism of self-excited precession on turbulent mixing characteristics. Further, the project will study the influence of passive control conditions, including nozzle structures and inlet Reynolds number, on the characteristics of self-excited precesion and turbulent mixing of self-excited precessing jets. Based on the study mentioned above, the project will investigate the active control of a self-excited precessing jet with micro jets. The influence and mechanism of micro jet on the characteristics of self-excited precession and turbulent mixing will be studied. The project will obtain the turbulent mixing characteristics and control mechanism of self-excited precessing jets Thus it will provide theoretical support and technical guidance for the research and development of new and high efficient burners and mixers, which can widely be used in energy, power and other fields.

自激旋进射流能显著增强湍流混合效果，在能源动力等领域具有广阔的应用前景。然而，当喷嘴结构和应用工况发生改变时，有可能引起射流的自激旋进运动与湍流混合效果的剧烈变化，甚至导致旋进运动的消失，因此研究自激旋进射流的湍流混合特性及其控制机理具有十分重要的意义。本项目拟采用PIV、热线和流场显示技术相结合的方法，研究自激旋进射流的湍流结构演化规律及其对不同尺度之间的湍流能量输运特性的影响，揭示自激旋进运动对湍流混合特性的影响机理；进而研究喷嘴结构、来流雷诺数等被动控制条件对自激旋进射流的旋进运动特性与湍流混合特性的影响规律；在此基础上，研究利用微射流对自激旋进射流进行主动控制，阐明微射流对自激旋进射流的旋进运动与混合特性的影响规律，并揭示微射流的作用机制。通过本项目的研究，将掌握自激旋进射流的湍流混合特性与主动控制机理，为新型高效燃烧器和混合器的研发及其在能源动力领域中的广泛应用提供理论支持和技术指导。

针对能源动力领域中燃烧器、混合器中的湍流混合问题，本项目开展了自激旋进射流射流多尺度混合特性及其主被动控制研究。在研究过程中，课题组根据研究进展和国内外流动控制发展趋势，及时拓展研究内容和目标，进一步将流动控制与能量采集相结合，开展了基于摩擦纳米发电机的能量采集技术研究，深入探索了流-机-电多物理场耦合与控制关键科学问题。项目取得的主要成果包括：（1）揭示了自由射流中心线上的局部耗散尺度概率密度分布函数具有普适性，与出口雷诺数、喷嘴形状和湍流度无关，而在剪切层内射流卷吸的非湍流的周围流体导致在湍流大尺度和小尺度同时存在间歇特性，此项成果对于理解湍流多尺度特性，建立更普适的湍流模型有着重要指导意义。（2）阐明了自激振荡射流在不同矩形喷嘴形状、脉冲射流作用下的湍流混合特性，并进一步首次提出并系统研究了一种新型柔性薄膜拍打射流。利用薄膜在气流作用下产生周期性拍打的特性，对射流下游流场进行剧烈扰动，以增强射流与周围流体的掺混，薄膜拍打射流突破了传统自激旋进射流射流压力损失大、难以调节等局限性。（3）阐明了柔性薄膜在矩形通道内的运动状态、发电特性和频率特性，建立了拍打频率与风速的线性关系，构建了自驱动风速传感器；建立了仿生海蛇和塔式摩擦纳米发电机，掌握了它们在不同波浪条件下的运动规律和发电性能，实现了将低频、多方向波浪能高效转换成电能，并为小型电子设备供电。课题组完成了针对湍流射流混合特性及其主被动控制的研究目标，其研究成果可以为新型高效燃烧器和混合器的研发及其在能源动力领域中的广泛应用提供理论支持和技术指导。此外，本课题组将流动控制技术与能量采集技术相结合，开辟了新的研究方向，并且取得了一系列重要研究成果，其在物联网、环境感知、安全监测等方面有着巨大应用前景。