微吹气对湍流平板边界层流动特性的影响及其减阻机理

发布时间：2021-02-19 08:42

　　微吹气技术能够改变平板湍流流场结构,减小平板表面的摩擦阻力。采用直接数值模拟方法,计算了来流马赫数0.7条件下,流场流过光滑平板和NASA-PN2多孔平板表面两种情况,通过对比这两个算例的相关流场特征,验证了微吹气控制减阻的有效性,局部最大减阻率达到了45%,并且由于微吹气控制的"记忆"功能,减阻效果在微吹气流域下游仍会持续一段距离,增加了减阻区域的流向面积。壁湍流摩擦减阻的原因在于近壁区域出现了一个低速的"湍流斑",黏性底层厚度增加,速度型曲线被抬升。但与此同时,边界层内湍流速度脉动也得到了增强。进一步对流向脉动涡演化规律分析,发现微吹气对流向脉动涡发挥着多重作用。在增加流向脉动涡强度的同时,还使得流向涡团向远离壁面抬升,这样减小了流向涡与壁面之间直接作用。此外,微吹射流产生的冲击作用会在流向涡表面留下凹痕,使得流向涡分散成相对小的涡团结构。 

【文章来源】：航空学报. 2020,41(10)北大核心

【文章页数】：14 页

【部分图文】：

计算平板示意图

图3显示了u′的瞬时能谱E(u′u′）沿x方向的变化。高、低波数kx分别代表小尺度和大尺度的脉动结构（波长为1/kx）。在B/S区域（x=30～32），由于吹吸气控制（扰动最大幅值vmax=0.12）引入了许多大尺度结构，因此低波数扰动（kx=2,4）能量占主导部分；随着转捩的发展（x=32～34），高波数的扰动被激发，小尺度运动逐渐增强；在x>34区域，各种尺度的波动结构和能量分量达到相同的量级，最终形成宽带谱。这表明该流动已发展为多尺度湍流边界层流动。图3 沿流向脉动速度的能谱

图2 y+=3.11处x-z平面的速度云图湍流强度沿壁面法向方向的分布如图4所示。其中，urms（实验）、vrms（实验）、wrms（实验）分别表示文献[26]实验数据中的流向、法向和展向的速度脉动均方根，urms(DNS）、vrms(DNS）、wrms(DNS）则代表本算例的结果。在近壁区，流向湍流脉动占主导地位，法向方向的脉动最弱，突出了湍流的各向异性。逐渐远离壁面，各速度分量的均方根值趋于均匀，表明边界层外层湍流的脉动趋于各向同性。当前计算结果与实验数据符合较好[26]，这表明当前的数值方法和计算模型可以准确地预测湍流结构的脉动信息。

【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of drag reducing riblet surface on coherent structure in turbulent boundary layer[J]. Guangyao CUI,Chong PAN,Di WU,Qingqing YE,Jinjun WANG.  Chinese Journal of Aeronautics. 2019(11)
[2]一种可用于微吹吸流动控制技术研究的孔隙壁模型[J]. 李舰,沈娟,李椿萱.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2014(02)
[3]微吹减阻技术影响因素的数值模拟[J]. 李舰,李椿萱,贾力平,甄华萍.  北京航空航天大学学报. 2010(02)



本文编号：3040878