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《西北工业大学》 2003年
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流动矢量主动控制的微射流技术研究

高峰  
【摘要】: 以微电子机械系统(MEMS)、混沌论及非线性复杂大系统不稳定理论为基础,一种全新的流场主动控制技术——微射流技术应运而生。作为一种全新的流场主动控制手段,微射流是通过其微尺度扰动同宏观大尺度流动的整体耦合作用达到控制宏观流动的目的。微射流控制系统简单、轻便、能耗极小且不需要工质源,初步显示出了常规射流控制方法所不具备的优势,具有非常广阔的应用前景。本文对微射流及其与主射流的合成流场进行数值模拟和机理分析,为微射流技术的工程应用研究打下基础。 本文的主要研究成果如下: 1.通过对微射流与主射流合成流场的深入分析,分别建立了微射流作动器二维、三维可压外流场控制方程以及二维微射流与主流合成流场的控制方程。采用快速求解的近似隐式因式分解法(AF方法)并内置似牛顿子迭代,有效地抑制了数值振荡、提高了稳定性并恢复了非线性方程在线化过程中所丢失的一些重要特性,同时还消除了因使用显式边界条件、人工粘性及隐式一边使用低阶空间差分近似所带来的误差。显式一边的空间导数采用具有较高精度和良好数值稳定性的隐式高阶紧致差分格式,同时采用适于低马赫数流动计算的隐式高阶数值过滤方法。 2.分别采用层流、湍流模型对单微射流流场进行了数值模拟。模拟结果显示了微射流的产生、形成、发展与耗散过程以及微射流的卷吸特征等。分析了双微射流作动器在不同频率、相位下协调工作时所形成的合成流场的特征。“低压回流区”的细观分析诠释了微射流的作用机制。 3.三维微射流流场的数值模拟再现了实验所观察到的旋涡对的生成、发展及其相干性的消失过程;揭示了旋涡对沿展向的不稳定性是旋涡对相干性消失的主要原因。在三维数值模拟中还捕捉到了二次涡,这为以后进一步研究微射流旋涡对的细微结构打下了良好的基础。 4.微射流与主射流合成流场的数值模拟再现了实验所观察到的主射流流动方向发生偏转的情形;分析了在“拉”模型单、双微作动器模式下,微射流控制宏观流动的现象及内在机理;揭示了微射流与主流之间“低压回流区”所引起的主流通道内的压力分布不平衡是主射流宏观流动方向发生偏转的 西北工业大学博士学位论文 Ph.D.Dissertation ofNorthwesternPolyteehnieal University 内在原因。分析了“拉”模型单作动器模式下,微射流作动器的入射角度、 驱动频率、速度幅值及与主射流间的距离对主射流偏转程度的影响,并确定 了作动器工作参数的最佳范围;分析了“拉”模型双作动器模式下,不同的 相位差对主流偏转程度的影响。 5.数值模拟再现了微射流改变绕流圆柱气动性能的情形。相邻微作动器同相工 作时部分分离流重新附面、尾流区减小。相邻微作动器存在相位差时,圆柱 上下表面压力系数的差值发生改变,进而使绕流圆柱的气动性能发生变化。 微作动器放置的位置不同,对圆柱气动性能的影响亦不同。微作动器放置在 分离点附近时对圆柱的气动性能影响较大。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:O358

【引证文献】
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