基于流体振荡器的S形进气道畸变流动控制机理与方法研究

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S形进气道是一种典型的弯曲管道,内部往往存在显著的流动分离及二次旋流问题,使得其气动性能恶化,不利于发动机的稳定工作。为此,本文探索将流体振荡器应用于S形进气道的内流控制,研究了振荡射流对进气道内畸变流动的控制机理和控制效果。首先,设计了一种流体振荡器,仿真研究了几何设计参数、入口来流条件等参数对流体振荡器内部流动特性的影响规律。研究发现同一反馈通道进出口流量存在迟滞现象;并且当一侧反馈通道入口流量达到峰值时,另一侧入口的流量则刚好处于谷值,从而形成流量差激发自持的流动振荡。振荡器入口落压比越大、混合腔入口壁面扩张角越小、出口二喉道面积比越小,出口射流的振荡频率越高。其次,仿真研究了流体振荡器出口振荡射流与平板亚声速外流的相干流场,获得了外流马赫数、射流角度等对干扰流场的影响规律。结果表明,若流体振荡器出口二喉道的当地流动为亚声速,其无法隔绝来自外流的扰动;当二喉道下游达到超声速时则可以隔绝外流的扰动。振荡射流在出口以扫掠的形式向下游发展,并和外流形成强剪切,诱导产生一对流向旋涡和一对马蹄涡。随着射流向下游发展,马蹄涡逐渐消失,流场中只剩下一对流向旋涡。流向旋涡的存在可以将激励器下游对称面附近的低能流排移向两侧,使当地的速度剖面变得更饱满。最后,将流体振荡器布置在S形进气道下壁面流动分离点的上游区间,研究了振荡射流对进气道内畸变流动的控制效果,获得了射流角度、入口落压比对流动控制效果的影响规律。研究发现:振荡射流与S形管道内流相互作用诱导的旋涡强度较小,此时其主要通过边界层气流的动量补充效应来延缓管道内的流动分离,并且在采用射流控制后进气道出口截面的高总压区面积显著增加。在进气道出口马赫数Mae=0.39状态,当振荡器落压比NPR=5、射流角度α=20°、射流流量比为0.958%时,可使进气道出口总压恢复系数提升0.337%、稳态总压畸变指数降低5.7%,说明流体振荡器可有效改善S形进气道的出口流场品质。
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