實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)

1、n組員： 劉宇 SX1501257 n 趙偉偉 SX1501268 n 陳天予 SX1501177目錄 CONTENTS簡(jiǎn)介與研究現(xiàn)狀實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)二研究背景與現(xiàn)狀流動(dòng)控制技術(shù)是通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體施加力、質(zhì)量、熱量、電磁等物理量來(lái)改變流動(dòng)狀態(tài)，從而也改變運(yùn)動(dòng)物體的受力狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。流體激勵(lì)器作為一種重要的流動(dòng)控制的工具，在許多場(chǎng)合中都得到廣泛的應(yīng)用。壓電熱學(xué)電磁渦發(fā)生器聲學(xué)被動(dòng)主動(dòng)形狀記憶金屬防止氣流分離提高飛機(jī)性能被動(dòng)流動(dòng)控制方法只需消耗電能易于實(shí)現(xiàn)電參數(shù)控制相位控制的潛力響應(yīng)迅速合成射流激勵(lì)器旋渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單陣列式靈活布置旋渦發(fā)生器最典型的應(yīng)用是用于防止機(jī)翼上表面的邊界層分離渦流發(fā)生器實(shí)際上

2、是以某一安裝角垂直地安裝在機(jī)體表面上的小展弦比小機(jī)翼，所以它在迎面氣流中和常規(guī)機(jī)翼一樣能產(chǎn)生翼尖渦，但是由于其展弦比小，因此翼尖渦的強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。這種高能量的翼尖渦與其下游的低能量邊界層流動(dòng)混合后，就把能量傳遞給了邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場(chǎng)獲得附加能量后能夠繼續(xù)貼附在機(jī)體表面而不致分離。其他應(yīng)用實(shí)例上世紀(jì) 60 年代，Schubauer、Lachmann 及 Pearcey，等人對(duì)普通旋渦發(fā)生器(高度大于/接近當(dāng)?shù)馗矫鎸雍穸?控制平板湍流附面層的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究上世紀(jì)90年代Klausmeyer等人對(duì)旋渦發(fā)生器的形狀、幾何參數(shù)及位置進(jìn)行了較系統(tǒng)研究，并針對(duì)早期旋渦發(fā)生器高度尺寸與當(dāng)

3、地附面層厚度相當(dāng)，在非設(shè)計(jì)狀態(tài)，即附面層不出現(xiàn)分離的情況下，旋渦發(fā)生器將帶來(lái)附加的型阻和渦阻，飛機(jī)需付出較高的額外阻力代價(jià)，在此基礎(chǔ)上提出亞附面層渦發(fā)生器的概念還有人提出智能渦發(fā)生的概念，在不使用的時(shí)候可以收起以減小阻力，甚至可以像附面層噴出微量氣流以增加能量，提高對(duì)附面層的控制能力。國(guó)外研究現(xiàn)狀三個(gè)單位曾經(jīng)在風(fēng)洞洞壁附面層控制、進(jìn)氣道流動(dòng)控制等方面開(kāi)展了研究工作。在M數(shù)0. 40. 895 范圍內(nèi)，它能使距實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口下游約 880mm 處的附面層，減薄約 71%，而且對(duì)主流無(wú)明顯影響，通過(guò)改變旋渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)甚至可以將附面層厚度減到 5mm。提高機(jī)翼最大升力和失速迎角，改善飛機(jī)低速大迎角的氣動(dòng)

4、力特性渦流發(fā)生器可以提高飛機(jī)的最大升力系數(shù)和失速迎角，但在渦流發(fā)生器安裝位置不變的情況下，改變渦流發(fā)生器的彎度對(duì)飛機(jī)性能沒(méi)有影響南航的黃國(guó)平，梁德旺，李博等進(jìn)行了旋渦發(fā)生器用于進(jìn)氣道流動(dòng)分離控制研究對(duì)流場(chǎng)的改善效果明顯，某型飛機(jī)的 Y 形進(jìn)氣道在亞、跨和超音速等各種飛行速度、不同攻角、側(cè)滑角飛行條件下，其進(jìn)氣道流場(chǎng)畸變均減小，尤其是原流場(chǎng)畸變較大的情況下改善更加明顯。合成射流激勵(lì)器90年代初佐治亞大學(xué)Ari教授首次研發(fā)壓電型合成射流激勵(lì)器，利用壓電晶體的周期性振動(dòng)在出口窄縫產(chǎn)生射流霍普金斯大學(xué)設(shè)計(jì)電火花激勵(lì)器，最高可以產(chǎn)生500m/s的超聲速射流，讓合成射流激勵(lì)器在超聲速流場(chǎng)中的控制成為可能。

5、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀南航明曉教授最早在國(guó)內(nèi)開(kāi)展零質(zhì)量射流研究工作北航，西工大，國(guó)防科技大都對(duì)合成射流激勵(lì)器進(jìn)行過(guò)一些列的研究Smith等人對(duì)合成射流激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)低速宏觀流的矢量控制進(jìn)行了研究。研究降低發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣溫度，能夠有效的降低對(duì)機(jī)翼材料的需求從而降低制造成本。在沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)的參考下，我們想通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)，研究合成射流影響發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣的原理。主動(dòng)控制技術(shù)降低發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度第二章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)美國(guó)空軍科學(xué)研究局研發(fā)了一套利用合成射流降低發(fā)動(dòng)機(jī)出口排氣問(wèn)的的系統(tǒng)，讓氣流在襟板位置溫度降低了50%，大大降低了飛機(jī)的成本，提升了隱形性能，延長(zhǎng)了使用壽命發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣過(guò)程可以看成一個(gè)高速高溫的自由射流根據(jù)文獻(xiàn)中提供

6、的發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣圖片，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的射流核心區(qū)由于射流速度極快的緣故拖得極長(zhǎng)，且在核心區(qū)內(nèi)的溫度基本不變。射流的擴(kuò)散角在本例中極小，熱交換伴隨著質(zhì)量交換都主要發(fā)生在射流邊界層邊緣。加強(qiáng)質(zhì)量交換加強(qiáng)周?chē)諝獾臒峤粨Q射流核心區(qū)沒(méi)有完全的發(fā)展由于振蕩的緣故迅速耗散可能的原理猜測(cè)振蕩就是降低噴氣溫度的原因，希望通過(guò)試驗(yàn)的手段驗(yàn)證這個(gè)想法自由射流雖然速度在核心區(qū)充分發(fā)展之后逐漸降低，但是總動(dòng)量并沒(méi)有改變。射流邊界層形成的渦將周?chē)諝饩磉M(jìn)射流中，射流的流量隨著發(fā)展而增加，軸心速度降低?？趶降缺瓤s小的噴管，電加熱系統(tǒng)，調(diào)速風(fēng)機(jī)，合成射流發(fā)生器，紅外線(xiàn)感應(yīng)溫度攝像儀，計(jì)算機(jī)，七孔探針，溫度傳感器，測(cè)力裝置。1.

7、 調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和電加熱系統(tǒng)，得到合適的射流溫度和速度。通過(guò)七孔探針和溫度傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。2. 先在沒(méi)有合成射流的情況下，用紅外攝像儀記錄噴氣的溫度分布。給定合成射流發(fā)生器某個(gè)固定頻率，用紅外線(xiàn)感應(yīng)溫度攝像儀記錄溫度分布，觀察合成射流是否能夠?qū)姎庠斐捎绊憽?.如果合成射流可以有效的影響噴氣，則設(shè)定若干不同的激發(fā)頻率，研究合成射流發(fā)生器交替噴射的頻率對(duì)高溫射流的振蕩的影響，以及在不同頻率下，高溫射流的換熱情況。4. 確定最優(yōu)的合成射流激發(fā)頻率。此時(shí)存在一個(gè)合成射流與高溫噴氣的動(dòng)量比，考慮真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣與現(xiàn)有的各型號(hào)合成射流發(fā)生器是否能夠維持實(shí)驗(yàn)得到的動(dòng)量比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的現(xiàn)實(shí)可行性。為什么合成射流

8、可以實(shí)現(xiàn)矢量控制？實(shí)驗(yàn)結(jié)果猜想與存在問(wèn)題實(shí)現(xiàn)矢量控制的原理和讓自由出射流振蕩的原理是否相同？合成射流發(fā)生器確實(shí)可以影響自由出射流，并且在某個(gè)特定范圍頻率內(nèi)能夠產(chǎn)生振蕩振蕩可以有效降低射流溫度，對(duì)于合成射流存在最優(yōu)的激發(fā)頻率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且凰椒胖糜谒壑械目招膱A柱, 圓柱外徑D=30 mm, 內(nèi)徑d=24 mm, 長(zhǎng)500mm, 展弦比16.67. 圓柱中間位置開(kāi)對(duì)心狹縫, 狹縫寬h=1 mm, 長(zhǎng)l=50 mm, 圓柱腔體內(nèi)有活塞, 經(jīng)過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 活塞在腔體內(nèi)做往返運(yùn)動(dòng), 腔體內(nèi)流體會(huì)從狹縫出口中排出和吸入, 從而產(chǎn)生了合成射流.實(shí)驗(yàn)二 合成射流對(duì)于圓柱繞流分離控制的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介：在水

9、槽中對(duì)合成射流控制圓柱分離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 射流出口為狹縫, 由圓柱前駐點(diǎn)向上游噴射實(shí)驗(yàn)在回流式水槽中進(jìn)行, 該水槽實(shí)驗(yàn)段為有機(jī)玻璃, 實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)4.8m, 截面0.6 m0.6 m, 水流速度在20 cm/s 內(nèi)連續(xù)可調(diào).電機(jī)和活塞通過(guò)對(duì)心曲柄機(jī)構(gòu)(由偏心圓盤(pán)和連桿組成)相連, 其運(yùn)動(dòng)周期完全相同, 合成射流形成渦對(duì)的頻率等同于電機(jī)工作頻率, 因此通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以改變合成射流的頻率實(shí)驗(yàn)中自由來(lái)流速度U=40 mm/s, 合成射流出口方位角 = 90, 120, 150 ，實(shí)驗(yàn)采用氫氣泡流動(dòng)顯示方法, 產(chǎn)生氫氣泡的鉑絲直徑25 m, 流動(dòng)顯示圖像由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)連續(xù)記錄并存入計(jì)算機(jī). 由此定性觀察合成射流對(duì)圓柱繞流分離的控制效果及其機(jī)理, 研究合成射流