热激励器用于高速平面剪切流和圆管射流的流动控制机理研究

发布时间：2017-10-31 08:15

  本文关键词：热激励器用于高速平面剪切流和圆管射流的流动控制机理研究

  更多相关文章： 等离子热激励器 平面剪切流 超音速圆管射流 大涡模拟 主动流动控制

【摘要】：主动流动控制技术已成为提升高速飞行器飞行性能的重要手段之一,其在改善增强流动掺混、降低流动噪声方面的应用成果颇丰。本文采用大涡模拟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。具体研究内容包括以下几个方面:(1)采用大涡模拟方法研究了马赫1.3剪切流动。通过分析时均流场和瞬时流场的速度、压力分布和对流动的频谱分析,发现在二维数值模拟中,随着流动向下游发展,压力势能转化为涡的动能,同时压力的波动频率降低,波动强度增大。利用三维模型分析了剪切层内各涡量分量和湍动能的分布特性,发现剪切层头部区域主要以展向涡量为主,形成沿展向连续的条状涡结构;剪切层内流向涡量的发展导致了条状涡结构的失稳,是发夹涡结构产生的主要诱因之一。(2)采用大涡模拟方法研究了不同激励方式对马赫1.3自由剪切流动的影响。在二维数值模拟中,研究了定常激励幅值和非定常激励频率对流动的影响,研究发现定常激励的功率越大,压力波动的主频越高,而主频下的幅值却越低;非定常激励作用同样使压力波动主频升高,主频峰值降低;在激励频率较低的工况中,出现了频率更高、幅值更低的多个峰值。在三维剪切流动的模拟中,采用了脉冲式的激励方式,从激励幅值、激励频率和占空比这三个角度研究了激励对大涡结构的影响,研究发现在激励作用下,剪切层厚度、平均湍动能和平均涡量值的增长均快于基准态,提高激励幅值能得到更大的速度和压力波动的峰值;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;从频谱分析中发现,尽管激励频率远低于剪切流动本身的波动频率,激励作用还是有效地抑制了剪切流动的高频波动。(3)采用大涡模拟方法对马赫1.3二维轴对称射流和三维圆管射流进行了数值模拟。在二维数值模拟中,发现轴线上的压力波动是由剪切层内涡的卷吸作用引起的,其压力波动频率较低;而剪切层内的压力波动受涡结构的运动和剪切应力共同影响,波动频带较宽。研究三维射流流场分布特点和射流剪切层内的速度波动,发现流向涡量的产生促进了动量在空间的传递,促使剪切层增厚,压力波动范围增大。(4)采用大涡模拟方法研究了不同激励模式对马赫1.3超音速圆管自由射流涡结构的影响,分别采用二维轴对称和三维模型探究了激励幅值和激励频率的影响,分析了空间上不同激励模式对三维射流大涡结构的控制机理。结果表明:对于轴对称射流,激励频率越高,涡脱落发生地越早,其生成速度也就越快。在三维射流的数值模拟中,分析了m=+-1模式和m=+-4模式下的近场流场和远场声场的特征。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”的效果,在其附近形成的高涡量区域加速了射流剪切层的发展,增强了射流掺混;采用Q判据得到射流大涡结构的分布,发现激励作用能产生更大的径向速度和周向速度波动,促进发卡涡的形成;不同激励模式形成了不同的大涡结构和气动噪声频谱分布,超音速射流的气动噪声频带很宽,激励作用在一定程度上改变了噪声频谱特性,有效地抑制了气动噪声的高频成分。
【关键词】：等离子热激励器 平面剪切流 超音速圆管射流 大涡模拟 主动流动控制
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 湍流简介12-13
• 1.2 可压缩湍流的研究背景与现状13-14
• 1.3 流动控制技术的研究背景与现状14-17
• 1.3.1 脉冲射流激励器15-16
• 1.3.2 介质阻挡放电等离子激励器16
• 1.3.3 直流放电等离子体激励器16-17
• 1.4 剪切流流动特性的研究近况17-18
• 1.5 高速圆管射流流动特性的研究近况18-20
• 1.6 本文主要工作20-22
• 第二章 可压缩湍流数值模拟方法22-30
• 2.1 RANS方法22
• 2.2 大涡模拟方法（LES）22-25
• 2.3 空间离散格式25-28
• 2.3.1 WENO格式25-26
• 2.3.2 中心格式和人工粘性26-27
• 2.3.3 紧致格式27
• 2.3.4 Roe的通量差分分裂格式27-28
• 2.4 气动噪声计算28-29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 高速剪切流动的数值模拟30-46
• 3.1 二维剪切流动的数值模拟30-38
• 3.1.1 流动问题描述30
• 3.1.2 数值方法30-31
• 3.1.3 初始条件和边界条件31-32
• 3.1.4 网格设置与相关性分析32-34
• 3.1.5 结果及分析34-38
• 3.2 三维剪切流动的数值模拟38-45
• 3.2.1 网格与边界设置38-40
• 3.2.2 流场结果分析40-45
• 3.3 小结45-46
• 第四章 热激励器对高速剪切流的影响机理46-86
• 4.1 数值模拟热激励器对二维平面剪切流的影响46-55
• 4.1.1 流动问题描述46-47
• 4.1.2 定常激励对流动的影响47-52
• 4.1.3 不同激励频率对流动的影响52-55
• 4.2 数值模拟热激励器对三维平面剪切流的影响55-84
• 4.2.1 流动问题描述55-56
• 4.2.2 激励幅值对流动的影响56-69
• 4.2.3 激励频率对流动的影响69-75
• 4.2.4 占空比对流动的影响75-81
• 4.2.5 不同工况下的频谱分析81-84
• 4.3 小结84-86
• 第五章 超音速自由射流的数值模拟86-102
• 5.1 二维超音速轴对称自由射流的数值模拟86-97
• 5.1.1 流动问题描述86
• 5.1.2 数值方法86-87
• 5.1.3 初始条件和边界条件87
• 5.1.4 网格设置与相关性分析87-89
• 5.1.5 凹槽对流动的影响89-92
• 5.1.6 声场特性与涡运动的联系92-94
• 5.1.7 自由射流的频谱分析94-97
• 5.2 三维超音速自由射流的数值模拟97-101
• 5.2.1 流动问题描述97-99
• 5.2.2 计算结果及分析99-101
• 5.3 小结101-102
• 第六章 热激励器对超音速自由射流的影响机理102-128
• 6.1 激励作用下二维轴对称射流的数值模拟102-111
• 6.1.1 流动问题描述102
• 6.1.2 定常激励功率对流动的影响102-105
• 6.1.3 非定常激励频率对射流不同区段的影响105-111
• 6.2 激励作用下三维超音速圆管自由射流的数值模拟111-125
• 6.2.1 流动问题描述111-112
• 6.2.2 m=+-1 模式下的流场112-117
• 6.2.3 m=+-4 模式下的流场117-120
• 6.2.4 流场频谱分析与噪声120-125
• 6.3 小结125-128
• 第七章 总结与展望128-132
• 7.1 本文主要工作和结论128-129
• 7.2 本文的创新点129
• 7.3 工作展望129-132
• 参考文献132-140
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况140-142
• 致谢142-143

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1 宋慧敏;张明莲;贾敏;吴云;梁华;;对称布局等离子体气动激励器的放电特性与加速效应[J];高电压技术;2011年06期

2 ，

本文编号：1121520