王旭東，高峰，徐晨洋，張涵

(空軍工程大學 防空反導學院，西安　710051)

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超聲速來流下葉片式微型渦流發(fā)生器流動控制研究

王旭東，高峰，徐晨洋，張涵

(空軍工程大學 防空反導學院，西安710051)

不同構型的微型渦流發(fā)生器對提高進氣道/隔離段性能所產生的效果不同。采用數(shù)值模擬方法研究來流馬赫數(shù)為2.0條件下，五種葉片式微型渦流發(fā)生器對流場邊界層的流動控制特性。結果表明：帶有一定前緣高度的葉片式微型渦流發(fā)生器可產生更強的流向渦，總壓畸變和馬赫數(shù)畸變較小，流場出流質量更佳，但同時帶來較大的總壓損失；微型渦流發(fā)生器的前緣厚度對流場性能提升無明顯幫助，反而會增大總壓損失；無前緣高度的微型渦流發(fā)生器能在引入較小總壓損失的情況下，使隔離段擁有較強的抗反壓能力，同時有效增大壁面摩擦系數(shù)，提高邊界層對抗分離的能力。

超聲速；隔離段；微型渦流發(fā)生器；流動控制；數(shù)值仿真

0　引　言

超聲速進氣道的性能與進氣道內邊界層的發(fā)展狀態(tài)直接相關，在粘性作用和高逆壓梯度作用下，邊界層發(fā)展不夠飽滿且厚度會迅速增加，穩(wěn)定性變差，容易產生邊界層分離現(xiàn)象。邊界層分離可能引起進氣道性能退化，嚴重影響進氣道的工作效率[1]。因此，對邊界層流動進行控制有益于提升進氣道性能。國內外已對微型斜坡、微型葉片、開槽、肋片等構型對流動控制的效果進行了研究，證實將構型置于附面層內可以在很大程度上改善進氣道性能[2-5]。

在微型渦流發(fā)生器(Micro Vortex Generator，簡稱MVG)對超聲速進氣道啟動性能影響的研究中，M.D.Atkinson[6]采用AVUS求解三維穩(wěn)態(tài)N-S方程的方法，通過對比邊界層抽吸和微型斜坡控制下的流場特性參數(shù)，得出微型斜坡可增強進氣道性能的結論。K.Yuceil等[7]將微型斜坡和射流式渦流發(fā)生器組合，研究發(fā)現(xiàn)該組合可以有效增強進氣道/隔離段抗反壓能力。B.H.Anderson等[3]采用RANS仿真計算了馬赫數(shù)2.0條件下，將三種標準微型斜坡和微型葉片構型進行比較優(yōu)化，認為各類型的MVG均能夠維持流場的穩(wěn)定。S.Lee等[8-9]綜合比較了標準微型斜坡和斜坡/葉片式MVG，發(fā)現(xiàn)與標準微型斜坡相比，斜坡/葉片式和三棱錐葉片式MVG能夠產生更強的尾部渦流，并且使中心線上分離區(qū)長度大為縮短，但其關于MVG流動控制特性的研究多在周期性邊界條件下進行，未考慮進氣道側面的影響。

目前，國內將MVG用于超聲速流動控制的研究尚處于起步階段，王博[10]采用NPLS技術、超聲速PIV技術并結合混合RANS/LES數(shù)值模擬方法對MVG作用于激波/邊界層干擾流動控制的機理進行了研究。薛大文等[11]基于LES對來流馬赫數(shù)2.5條件下MVG繞流流場進行模擬，證明MVG產生的流向渦對與渦環(huán)結構均會對下游邊界層產生作用。

本文針對進氣道來流嚴重非對稱的特點，對現(xiàn)有葉片式MVG構型在實際進氣道模型中進行三維仿真計算，著重研究構型的流動控制效果。

1　計算模型

計算流道模型參考K.Yuceil等[7]的實驗模型，模型總長為317.8 mm，由90.7 mm長的進氣道和227.1 mm長的直通道隔離段組成，高度為25.4 mm，寬度為30.0 mm。為了使來流附面層充分發(fā)展，在進氣道入口前加一段259.3 mm長的附面層發(fā)展段；為了排除其他干擾因素，有效比較各構型對邊界層的控制效果，將原進氣道中長90.7 mm的楔形激波發(fā)生器改為平直滑移段。設置MVG前緣對稱點為坐標原點，計算模型如圖1所示。

圖1　計算模型結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of calculation model structure

采用FLUENT軟件進行求解，考慮到近壁區(qū)及MVG附近繞流的復雜性，湍流模型選用SSTk-ω湍流模型，該模型使用混合函數(shù)彌補了標準k-ε模型和標準k-ω模型的不足，減小了計算誤差，可以準確地模擬激波/邊界層干擾以及高壓力梯度變化的流動現(xiàn)象。來流為理想氣體，氣體粘度采用Sutherland方程描述，并選取基于密度的耦合顯式求解器求解穩(wěn)態(tài)問題。由于計算區(qū)域來流非對稱，附面層發(fā)展段上壁面和側壁面設為滑移壁面，其余壁面設為絕熱無滑移壁面。來流馬赫數(shù)Ma=2.0，進口條件為壓力進口，總溫T0=300 K，總壓P0=360.224 kPa，靜壓P=48.433 kPa，出口為壓力出口，背壓Pb=167.58 kPa。

為了深入研究各構型的流動控制特性，設置五個算例：標準矩形葉片BV、前緣劈薄葉片SV、標準三棱柱葉片HV、三棱錐葉片TV和斜坡葉片RV，各構型放置于隔離段入口處。為了統(tǒng)一尺寸，令各構型的后緣高度h=2.7 mm，前緣或后緣寬度s=0.5h，軸向長度c=6.57h，分離構型之間后緣間距w=h，與來流夾角α=12°，計算模型如圖2所示。

(a) BV

(b) SV

(c) HV

(d) TV

(e) RV 圖2　葉片式MVG結構圖Fig.2　Structure of vane type MVGs

計算域網格采用ICEM軟件來劃分，由于計算域對稱，故取一半進行計算。為了保證計算精度，對近壁面處、MVG附近進行網格加密處理，網格總量約為300萬，三棱錐葉片局部網格如圖3所示。

圖3　三棱錐葉片局部網格示意圖Fig.3　Local grid construction of TV

控制段下壁面y+云圖如圖4所示，可以看出控制段的壁面y+均在1以下，能夠滿足SSTk-ω湍流模型對壁面網格密度的要求。

圖4　控制段下壁面y+云圖Fig.4　y+ contour of isolator down wall

2　計算結果與分析

抗反壓能力是表征進氣道/隔離段性能及流動控制能力的一個重要指標，在進氣道唇口處加入微型渦流發(fā)生器可有效提高進氣道的抗反壓能力[7]。不同葉片式MVG控制下的流場上壁面靜壓云圖如圖5所示，激波串未吐出進氣道，流場壓強前鋒均被嚴格控制在隔離段入口內。

圖5　不同葉片式MVG控制下的流場上壁面靜壓云圖Fig.5　Pressure contour at up wall under the control of different leaf type MVG

從圖5可以看出：相對而言，BV和SV的激波數(shù)量較多，尤其是在流場后部，激波之間的間距較小，表明斜激波的激波角已接近接近90°，基本呈正激波態(tài)，可能會造成較大的總壓損失，同時，激波/邊界層干擾效應增強，造成邊界層穩(wěn)定性變差。其原因是：BV和SV前緣高度較高，來流會產生更為激烈的擾動作用，使氣流增壓較為明顯，造成激波角增大，在相同的流道長度內，激波串在上下壁面之間的反射次數(shù)明顯增加。

為了更加直觀地分析流場壓強的分布情況，對比下壁面展向平均無量綱靜壓曲線，如圖6所示。

圖6　下壁面展向平均無量綱壓強曲線Fig.6　Spanwise averaged pressure at down wall

從圖6可以看出：葉片后部流場靜壓始終保持BV和SV最大，HV、TV和RV相對較小，表明后三種控制構型能夠將控制段內的高壓區(qū)控制在流場相對靠后的位置，抗燃燒室反壓能力更好。

對稱面湍動能等值線如圖7所示。

圖7　對稱面湍動能強度Fig.7　Turbulence kinetic energy contour at symmetry plane

從圖7可以看出：BV和SV的流場在葉片后部存在大范圍高湍動能區(qū)域，湍流程度更大，形成亞聲速的回流區(qū)，表明在出口高反壓的作用下，下壁面流場逆壓梯度較大，擾動作用增強，流體之間剪切作用增強，使流動動能以熱量形式消耗，可能會導致總壓損失增大；高湍動能區(qū)域在流場尾部幾乎充滿整個流道，表明后部流場邊界層較厚，與上壁面距離縮短，激波反射距離較短，反射頻率增加，進一步解釋了上壁面壓強云圖(圖5)中BV和SV流場后部激波數(shù)量較多且間距較短的現(xiàn)象。

為了探究不同葉片式MVG對邊界層的作用機理，分別對對稱面、x=30 mm和x=60 mm截面的馬赫數(shù)云圖、流線圖和下壁面流線圖(如圖8所示)進行分析。

(a) BV

(b) SV

(c) HV

(d) TV

(e) RV 圖8　對稱面、x=30 mm和x=60 mm處 馬赫數(shù)云圖、流線圖和下壁面流線圖Fig.8　Ma number contour and streamline at symmetry,x=30 mm and x=60 mm plane

從馬赫數(shù)云圖和下壁面流線圖可以看出：BV和SV對稱面低速區(qū)范圍較大，原因是高前緣的葉片其內部空腔可聚攏的來流流量更大，來流受到更強的阻滯作用，中心流流速減緩明顯，但正是由于壓縮作用強，使增壓幅度較大，分離區(qū)后移，角區(qū)的低速區(qū)較HV、TV和RV要小。從截面流線圖可以看出：由于HV、TV和RV前后緣有一定的高度差，來流經葉片上部溢出進入側邊低壓區(qū)，與低速流混合形成流向渦。從展向切片的流線圖可以看出：BV和SV的流向渦在x=60 mm處幾乎無衰減，作用距離更遠，這是因為BV和SV前緣高度較高，側面形成更大范圍的低壓區(qū)，葉片兩側的來流經葉片兩側向低壓區(qū)聚攏，形成強度更大的流向渦。

不同葉片控制段流場沿流向的總壓損失和壁面摩擦系數(shù)曲線圖如圖9所示。

(a) 總壓損失系數(shù)

(b) 壁面摩擦系數(shù) 圖9　總壓損失和壁面摩擦系數(shù)曲線Fig.9　Graphs of total pressure loss coefficient and wall friction coefficient

從圖9(a)可以看出：各構型對流場的總壓損失有一定影響，不帶前緣高度的葉片總壓損失相對較小且相互之間無明顯差別，而帶前緣高度的葉片則會造成較大的總壓損失，同時，BV較SV總壓損失更高，表明葉片前緣厚度對流場的阻滯作用也會使總壓損失增大。綜上所述，葉片式MVG改善流場流動性的同時也會帶來一定的總壓損失，必然影響發(fā)動機的凈推力。因此，合理選擇低前緣高度的控制構型至關重要。

壁面速度梯度決定了壁面摩擦系數(shù)Cf，提升當?shù)谻f值可以在延遲分離的同時減小擾動區(qū)[12]，因此Cf值的大小反映了控制段的流場特性和控制效果的優(yōu)劣。

(1)

式中：τw為近壁面剪切應力；ρe為當?shù)亓黧w密度；ue為當?shù)亓飨蛩俣取?/p>

從圖9(b)可以看出：就整體發(fā)展趨勢而言，壁面摩擦系數(shù)沿流向先增加后降低直至趨于穩(wěn)定，表明在控制器作用下流場中段表面摩阻增大最多，邊界層發(fā)展最為飽滿，也最不容易發(fā)生分離；在同樣大小的出口背壓下，BV和SV的Cf峰值出現(xiàn)在x/h=26處，HV、TV和RV的Cf峰值要延后約11.1h，表明在HV、TV和RV控制下，動能較高的流體被渦旋帶到壁面附近，提高了邊界層對抗分離的能力，其中TV的Cf值總體保持在最高水平。

為了比較隔離段出流質量，研究總壓畸變指數(shù)(Dp)和馬赫數(shù)畸變指數(shù)(DM)變化曲線，如圖10所示。

(a) 總壓畸變指數(shù)

(b) 馬赫數(shù)畸變指數(shù) 圖10　總壓畸變指數(shù)和馬赫數(shù)畸變指數(shù)曲線Fig.10　Graphs of total pressure distortion andMa number distortion

從圖10可以看出：流場在MVG附近受到擾動，總壓畸變增大，之后又急劇下降，表明葉片式MVG可有效降低總壓畸變，對流場質量具有極大地改善作用；BV和SV的控制段總壓畸變指數(shù)明顯優(yōu)于HV、TV和RV，在控制段流場馬赫數(shù)畸變指數(shù)上也表現(xiàn)出相似的特征，表明帶前緣寬度和高度的葉片式MVG改善流場出流質量的能力更佳；BV和SV的Dp、DM值幾乎一致，但總壓損失BV較大，表明前緣高度對流場參數(shù)影響較大，前緣厚度對流場性能提升無明顯幫助，反而會增大總壓損失。綜合考慮總壓損失和壁面摩擦系數(shù)等因素，應合理選擇葉片式MVG的前緣高度，使超聲速流場控制能力最優(yōu)化。

3　結　論

(1) 帶有一定前緣高度的BV和SVMVG可產生更強的流向渦，但同時帶來較大的總壓損失。

(2) 無前緣高度的HV、TV和RVMVG能在引入較小總壓損失的情況下使隔離段擁有較強的抗反壓能力，同時有效增大壁面摩擦系數(shù)，提高邊界層對抗分離的能力，其中TVMVG各項性能參數(shù)相對最好。

(3) 帶前緣寬度和高度的BV和SVMVG的出流總壓畸變和馬赫數(shù)畸變較小，流場出流質量更佳，前緣厚度對流場性能提升無明顯幫助，反而會增大總壓損失。

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(編輯：馬文靜)

Investigation on Flow Control of Supersonic Flow Past Vane Type Micro Vortex Generator

Wang Xudong, Gao Feng, Xu Chenyang, Zhang Han

(College of Air and Missile Defense， Air Force Engineering University, Xi’an 710051，China)

It is proved that different micro vortex generator(MVG) will have different effects to improve the performance of the inlet/isolator. The supersonic flow(Ma=2.0) past vane types of micro-ramps are simulated to improve the characteristics of isolator. Results show that MVG with high leading edge generates stronger streamwise vortex, the total pressure distortion and Mach number distortion decrease but brings higher total pressure loss. The leading edge thickness of MVG is not helpful to improve flow control characteristics, but causes more total pressure loss. Flow filed controlled by MVG with thin leading edge will have higher back pressure and increase skin fraction coefficient.

supersonic; isolator; micro vortex generator; flow control; numerical simulation

2016-03-23；

2016-04-28

王旭東,dongfeng8330@163.com

1674-8190(2016)03-273-06

V235

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.03.002

王旭東(1991-)，男，碩士研究生。主要研究方向：超聲速流動控制。

高峰(1965-)，男，博士，副教授。主要研究方向：火箭發(fā)動機推進理論。

徐晨洋(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：超聲速燃燒。

張涵(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：飛行器論證、設計與作戰(zhàn)使用。