利用上游槽道对角区马蹄涡控制的数值及实验研究
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摘要
边界层流体遇到壁面凸起的障碍物后会发生三维流动分离,形成马蹄涡结构,这种流动称为角区流动。角区流动会带来振动、噪声、气动性能下降和局部摩擦应力增大等负面效应,为消除这些负面效应需要对其加以控制。目前流动控制方法主要分为主动控制和被动控制,被动控制(如在角区上游布置槽道、涡流发生器、斜杆等)由于其不需要消耗额外能量且简单实用,在工程上得到了广泛的应用。本文利用在平板上放置圆柱形成角区流动,在圆柱上游平板不同位置布置不同尺寸的槽道对角区马蹄涡进行控制。二维槽道的中心线为直线且垂直于来流方向,横截面为矩形(槽道深宽比H/W=0.25~2),槽道横跨整个平板。三维槽道中心线几何形状为角区流动无控制情况下分离区最外侧分离线的轮廓,横截面为矩形(槽道深宽比和二维槽道相同)。数值模拟和试验结果表明,二维和三维槽道均能推迟边界层的分离;使圆柱根部马蹄涡的强度减弱、尺度减小,非定常性减弱;同时槽道上游逆压梯度有所下降,而槽道下游逆压梯度略有上升。槽道控制方法的控制机理是由于槽道的抽吸效应使得圆柱上游边界层中的涡量由槽道输运到下游,同时降低了上游的逆压梯度,从而使得角区马蹄涡强度减弱,分离区范围减小。研究还表明,三维槽道对马蹄涡的控制效果优于二维槽道控制效果;其控制效果受槽道宽度和深度以及其与圆柱距离的影响。槽道越深越宽控制效果越好;当槽道位于分离区上游时槽道越靠近圆柱控制效果越好,当槽道位于分离区内时,槽道越靠近圆柱控制效果越差,这是由于槽道输运的是边界层不同高度上的涡量造成的。
引文