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DBD等离子体诱导涡结构控制附面层流动研究

俞建阳  
【摘要】:随着主动流动控制技术的快速发展,介质阻挡放电(DBD)等离子体流动控制技术作为一种新型的主动流动控制技术,已在全球范围内引起了研究者们的关注。DBD等离子体激励器作为一种主动流动控制设备,具有输入能量少、结构简单(无需移动部件)、控制灵活、反应快速等优点。随着研究的开展,等离子体激励器被逐步地应用在流动分离、转捩流动、湍流流动以及气膜冷却等流动控制领域,并实现了较好地控制效果。本文首先利用PIV实验测试技术开展了等离子体对平板壁面附近流动特性影响的研究。实验结果表明,等离子体激励器对流场的诱导作用能够显著增加近壁区内的流动速度,速度增幅?U最大可达来流速度的8.8%,而最大影响范围?δ约为附面层厚度的60%,二者均出现在激励器正极中心附近处;等离子体对流场的影响幅度与来流速度、激励电压的大小有关,来流速度相同时,近壁区附近等离子体的影响范围随激励电压的增加而增加;激励电压相同时,影响范围随来流速度的增加而下降。其次,基于公开的凸包实验数据对比讨论了不同亚格子模型的特点,并利用PIV实验结果修正了Shyy等人提出的电场线性化简化模型中的模型参数,从而建立了平板近壁区流场等离子体流动控制的大涡模拟方法。通过对DBD等离子体激励器作用下的平板流场进行模拟发现,等离子体对近壁区流动的影响主要体现在:一方面是通过其对激励器附近局部区域低能流体的直接“加能”作用而实现的,另一方面则是利用生成的“诱导涡”增强了主流区与近壁区流体之间的能量交换所导致。随后采用大涡模拟方法将DBD等离子体激励器简化模型和流动控制方程耦合联立求解,探讨了DBD等离子体作用下的平板、凸包流动的流场结构特点。通过对流场的分析表明,在DBD等离子体激励器作用下,流场壁面附近区域形成了一系列的正负“涡对”结构,“涡对”的产生促进了壁面附近区域内流体与主流流体之间的能量交换。在平板流动中,诱导“涡对”有效地提高了附面层内的流体速度,但其在向下游迁移的过程中不断地远离壁面,对流动的控制作用不断减弱。在凸包流动中,诱导“涡对”的迁移可以促使分离区内低能流体向下游的移动,从而减小了分离区的大小,甚至消除分离。最后开展了利用DBD等离子体激励器诱导“流向涡”,进行气膜冷却流场流动结构控制的研究。基于前文的仿真模型探讨了单激励器以及多激励器作用下的流场“流向涡”的分布,分析了“流向涡”的发展同激励器的激励强度、激励器极板间距以及激励器极板长度之间的关系。研究结果表明,DBD等离子体激励器诱导出的壁面射流流经壁面后与来流发生作用,从而诱导卷曲形成“流向涡”,该“流向涡”在向下游迁移的过程中不断膨胀并远离壁面。而相向布置的等离子体激励器诱导流动发生卷曲从而形成相向运动的“流向涡”。“流向涡”之间的互相作用,促进了其在法向方向的迁移。通过Q准则的等值面分布识别出吹风比M=1.0的条件下,冷却孔出口附近以及下游区域的大涡拟序结构。涡结构中主要以发卡涡的分布为主,流向截面内表现为旋向相反的涡对结构(CVP)。发卡涡在向下游迁移的过程中,其明显存在向着法向以及展向方向发展的速度。这也从侧面反映出冷却射流的核心区向周围扩散,逐步远离壁面的趋势。这种趋势不利于冷却气体对高温部件的表面进行冷却。此外,研究过程中深入分析了不同等离子体激励器布置形式对气膜冷却效果的改善作用。在对计算结果的分析中建立了不同等离子体激励器布置形式下,冷却孔附近大涡拟序结构的发展演化规律,通过探讨流场参数的分布规律获得了“诱导涡”对冷却流场涡结构的控制机制。常规的等离子体激励器通过诱导壁面射流,有效地减弱了冷却孔出口下游近壁区的涡强度,导致涡破碎现象提前发生。但壁面射流在流场下游逐渐远离壁面的特性却不可避免的增强冷却气体沿法向迁移的能力,使得其对壁面的冷却效果有所下降。诱导流向涡结构的布置形式,能够诱导冷却气体产生三维的涡结构,该涡结构与气膜孔下游的大涡结构相互抑制,能够有效地减弱冷却气膜在法向方向的运动能力,促进冷却气流的核心区向壁面偏移,有效地改善了冷却气体对高温部件表面的冷却性能。


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