邊界層分離控制

邊界層記憶體在著逆壓梯度，流動在逆壓梯度作用下，會進一步減速，最後整個邊界層內的流體的動能都不足以長久的維持流動一直向下游進行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。

採用流動控制手段可以控制這些流動現象，有效地提高進氣道的總壓恢復、降低流場畸變、增強啟動性能，常用的流動控制手段包括渦流發生器、噴流、抽吸、吹除等等。

基本介紹

• 中文名：邊界層分離控制
• 外文名：Boundary layer separation control
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 邊界層：流體力學中的一個重要課題和領域
• 控制手段：渦流發生器、噴流等

發生的機理

邊界層分離概述

邊界層是一個薄層，它緊靠物面，沿壁面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動區域。粘性應力對邊界層的流體來說是阻力，所以隨著流體沿物面向後流動，邊界層內流體流速會減小，壓力增加。由於流體流動的連續性，邊界層會變厚，以在同一時間內流過更多的低速流體。因此邊界層記憶體在著逆壓梯度，流動在逆壓梯度作用下，會進一步減速，最後整個邊界層內的流體的動能都不足以長久的維持流動一直向下游進行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離之後，它將從緊靠物面的地方抬起進入主流，與主流發生參混，結果是整個參混區域的壓力趨於一致。

模型分析

現以黏性流體繞過一無限長圓柱體的流動為例，從邊界層的形成和變化過程來說明曲面邊界層的分離現象。如圖1所示：

當流體到達A點（駐點）時，流速為零，流體的壓力p最大。由於流體是不可壓縮的，後繼流體質點在A點處，流體高壓力作用下，只好將部分壓力作用轉化為動能，沿圓柱體繼續向下游流動。又由於流體黏性作用，沿柱體表面的法線上將建立起速度邊界層，且沿流動方向逐漸加厚。

在AB段，外流區域中的勢流流動都處於加速減壓的狀態。由於邊界層內各截面上壓強近似等於同一截面上邊界層外邊界上的流體壓強，可知邊界層內部流體也處於加速減壓狀態。所減少的壓力能，部分用於克服由於黏性流動所產生的摩擦阻力，另外一部分轉化為動能，形成加速流。在AB段，壓力梯度dp/dx<0，稱為順壓區。

當流體到達圓柱體最高點B時，速度達到最大，壓力最小。 B點之後，外部勢流及邊界層內的流動均處於減速加壓的狀態下，壓力遞增，流速遞減，dp/dx>0，稱為逆壓區。由於壓力與黏性阻力的共同作用，流體動能越來越小。當到達C點時，近壁處流體質點的動能已被消耗殆盡，流體質點不能繼續向前運動，於是一部分流體質點在C點停滯下來。在C點，流體速度為0，但壓力較上游更大。

由於流體是不可壓縮，後繼流體質點因C點處高壓而不可接近，被迫脫離壁面和原來的流向向下游流去。這種邊界層脫離壁面的現象稱為邊界層分離，C點稱為分離點。

過C點以後，壓力繼續增加，在壓力差的作用下，除壁上流體質點速度仍處於零外，近壁處的流體質點開始倒退。而後的流體質點在近壁處同樣被迫停滯和倒退，以致越來越多被阻滯的流體短時間內在圓柱體表面和主流之間堆積起來，使邊界層劇烈增厚，邊界層內流體質點的倒流迅速擴展，而邊界層外的主流繼續向前流動。這樣在C點下游，以CC'線為界，在CC'以內是倒流，以外是向前的主流，兩者方向相反。

控制的作用

高超聲速進氣道流動中存在複雜的激波邊界層干擾、邊界層轉捩以及邊界層分離等複雜現象，採用流動控制手段可以控制這些流動現象，有效地提高進氣道的總壓恢復、降低流場畸變、增強啟動性能，常用的流動控制手段包括渦流發生器、噴流、抽吸、吹除等等。

射流式渦流發生器是指在超聲速邊界層中採用和來流成一定方向角度噴射的噴流產生流向漩渦，增強邊界層外部流動和近壁流動的動量交換，使得近壁附近的邊界層能量增大，從而提高邊界層的抗逆壓能力，減小分離區。

射流式渦流發生器是一種常用的流動控制方法，為探索其在高超聲速進氣道流動控制中的套用前景，採用一種混合大渦/雷諾平均 NS 方程模擬方法對單孔射流式渦流發生器對於 Ma3 湍流邊界層的控制作用進行了數值模擬研究。計算結果表明：射流式渦流發生器的流場由不對稱的射流激波、分離激波、分離區及流向渦對結構組成。射流對於邊界層的作用主要包括射流激波的減速作用和流向渦對的摻混作用，使得位於其正方向區域內的分離區增大，反方向範圍內的分離區減小。

斜出口合成射流激勵器

合成射流技術(Synthetic jet)是國際上近幾年提出的一種全新的主動流動控制技術與傳統有源射流控制相比，合成射流的產生不需要集中的壓力氣源、閥門和管道等裝置，工作時只需消耗電能驅動激勵器內的振動膜，產生脈動壓力轉變成單方向射流儘管對周圍的流體來說，合成射流沒有給予額外的質量，但會增加動量，從而引起外界流體的動量變化在1994年，美國喬治亞理工大學的Smith和Glezer等人將零質量射流激勵器成功地用於流動控制，並引起了廣泛的關注，合成射流激勵器的機理及套用研究也逐漸成為熱點。

該項技術目前正處於探索與套用基礎研究階段，國外對該技術在分離流動控制、前體渦控制以及射流矢量偏轉控制等方面開展了許多實驗和數值模擬研究，取得的進展令人鼓舞，但仍有許多機理和套用方面的問題需要進一步研究和探索。國內在這方面的研究起步雖然較早，但相對集中的研究還是近些年的事，還有很大發展空間。開展合成射流激勵器工作機理研究和進行邊界層分離控制套用研究，不僅有助飛行器的減阻增升，改善飛行性能和飛行品質，甚至可控制流動分離干預飛行器非對稱繞流，進而獲得更大的氣動效益，這對飛行器的後期精細化設計和真實飛行流動實時調控具有重要的套用價值。

李斌斌設計了一斜出口合成射流激勵器，套用美國TSI二維非接觸粒子圖像雷射測速技術對出口非定常流場特性進行了研究，得到了該激勵器的瞬態和時均流動結機結果表明，傾斜出口下合成射流具有沿壁面的動量輸運特性，並對該激勵器在邊界層分離流動控制中的套用進行了研究，斜出口合成射流激勵器可以顯著增加邊界層底層能量，非常有利於進行邊界層分離控。