2020-12-25 16:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
今天分享給大家 AMS 2020年第6期的封面文章，來自西北工業大學李棟教授研究團隊的最新研究成果Characteristics of array of distributed synthetic jets and effect on turbulent boundary layer。讓我們了解一下分布式合成射流特性及其湍流邊界層流動控制是如何達到減阻12%的效果吧！
Cite this article
Lu, L., Li, D., Gao, Z. et al. Characteristics of array of distributed synthetic jets and effect on turbulent boundary layer. Acta Mech. Sin. (2020). https://doi.org/10.1007/s10409-020-01001-x
文章亮點
西工大李棟教授研究團隊依據湍流邊界層裡低速條帶與發卡渦的無量綱尺度，設計了一套分布式圓孔合成射流陣列，用於湍流邊界層流動控制，使得陣列下遊表面摩擦阻力減小。從飛行器設計的角度看，在機身機翼等部位的湍流邊界層流動控制中，基於更低程度的當地幾何外形破壞，圓孔比大尺度的狹縫有更高的工程應用價值。本文實驗獲得的以Cfx/Cfx0表徵的最大表面摩擦阻力減小率約為12%。
研究背景及意義
文章採用分布式圓孔合成射流陣列控制充分發展的湍流邊界層。研究表明合成射流引起的上洗效應抬升了流向渦，減少了低速條帶的產生，湍流猝發強度減弱，合成射流陣列下遊區域表面摩擦阻力減小。合成射流應用於湍流邊界層流動控制時，激勵頻率是比激勵強度更重要的一個參數，較高的激勵頻率帶來更高的減阻率。本文工作可以為湍流邊界層減阻研究提供參考。
研究進展
減阻是飛行器設計的一個永恆主題。眾所周知，粘性阻力—主要是邊界層流動與飛機表面相互作用引起的摩擦阻力—大約佔飛行條件下總阻力的50%，這導致了巨大的燃料消耗和環境汙染。減小摩擦阻力對改善民機性能、降低民機運營成本有重要意義，即使只減少1%的表面摩擦阻力，也會大大提高空中交通運輸效率。一般來說，湍流邊界層流動的表面摩擦阻力是層流邊界層流動的10倍，而在飛行條件下，湍流邊界層始終大比例佔據機身、機翼表面，所以，湍流邊界層減阻對飛行器設計有著十分重要的意義。近幾十年來，人們致力於湍流邊界層減阻的研究，並提出了許多被動和主動的流動控制策略，合成射流是其中非常有潛力的一種。
本文首先利用信號發生器、功率放大器、揚聲器、示波器建立了一套聲學式合成射流激勵器。依據湍流邊界層裡低速條帶與發卡渦的無量綱尺度，設計了一套包含893個圓孔的分布式合成射流陣列。合成射流激勵器與陣列配合，生成分布式合成射流。利用熱線風速儀測量了不同激勵條件下分布式合成射流的速度特性，確定了分布式合成射流的三維參數空間（激勵頻率—激勵電壓—時間平均最大吹氣速度）。
結果顯示，吹氣在一個完整的合成射流周期中佔據主導地位，其對外界環境的影響強於吸氣。激勵頻率 f = 5 Hz 和 f = 100 Hz 對應著更高的吹氣速度，使得分布式合成射流的參數空間顯示出一種「兩邊高，中間低」的馬鞍形狀，如圖1所示。
圖1分布式合成射流的參數空間
然後基於分布式合成射流的參數空間，依據「頻率相同而吹氣速度不同，吹氣速度相同而頻率不同」的原則，選擇合成射流的激勵條件，研究了合成射流頻率（等於激勵頻率）、合成射流強度（對應時間平均最大吹氣速度）對湍流邊界層流動控制的效果，並選擇典型激勵條件，研究了合成射流在一排射流孔的下遊以及兩排射流孔中間區域對湍流邊界層控制效果的差異，以及合成射流在流向的作用範圍。
合成射流在一排射流孔的下遊以及兩排射流孔中間區域均產生了減阻效果，在射流孔下遊的減阻效果更明顯。合成射流抬升了流向渦的位置，增厚了粘性底層，從而引起摩擦阻力的減小。合成射流引起的減阻效果在流向體現出由弱變強、再變弱的規律。
脈動速度的功率譜密度和自相關性分析表明合成射流的作用效果沿流向逐漸減弱。在合成射流的作用區域內，VITA方法檢測到近壁區湍流猝發強度弱於基本流。湍流猝發變弱與表面摩擦阻力減小直接關聯，進一步說明了合成射流應用於湍流邊界層流動控制產生減阻效果。
本文還發現，合成射流應用於湍流邊界層流動控制減阻時，頻率是比強度更重要的一個參數。在本文的實驗設置下，更高的頻率產生更強的減阻效果。
基金資助信息（中文）
本項目由中歐航空科技合作項目「基於湍流邊界層流動控制的減阻技術（DRAGY）」（MJ-2015-H-F-106）資助。
原標題：《封面文章|李棟研究團隊：分布式合成射流特性及其湍流邊界層流動控制效果》
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