渦流發生器應用發展進展

黃紅波 陸 芳

（中船重工集團第七O二研究所 無錫 214082）

渦流發生器（vortex generator）自1947年首次被美國聯合飛機公司的Bmynes和Tayler提出，到目前已廣泛應用于航空、流體機械、冶金化工、汽車、船舶等領域.渦流發生器實際上是以某一安裝角垂直地安裝在機體表面上的小展弦比小機翼，所以它在迎面氣流中和常規機翼一樣能產生翼尖渦，由于其展弦比較小，翼尖渦的強度相對較強.這種高能量的翼尖渦與其下游的低能量邊界層流動混合后，就把能量傳遞給邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場獲得附加能量后能夠繼續貼附在機體表面而不致分離.

1 渦流發生器應用分類

1.1 渦流發生器尺寸大小分類

渦流發生器按大小分三類，即普通渦流發生器（VG）、亞附面層渦流發生器（SBVG）和微型渦流發生器（MVG）.普通渦流發生器初期多布置于飛機外翼段，也有布置于機翼根部和機翼中部，由于其外形尺寸較大，其高度與當地附面層的厚度相當甚至略大，對附面層分離的控制效果較好，但帶來的附加阻力也相應增加，特別是在非工作狀態，即附面層不分離情況下，產生較大的額外附加形狀阻力，正是由于此原因，普通渦流發生器應用較大局限性，逐漸淡出人們的視野.

亞附面層渦流發生器和微型渦流發生器主要是指其高度是當地附面層厚度的1／10～1／2，大量試驗結果表明，亞附面層或微型渦流發生器延遲附面層的分離效果與普通渦流發生器效果相當，而附加阻力僅是普通VG的1／10.特別是MVG在許多增升裝置中成功應用，如美國NASA Langley研究中心的J.C.Lin［1］等研究的微型渦流發生器應用在三段翼型的襟翼上，在相同的迎角下，分別把升力系數和升阻比提高10%和80%.

1.2 渦流發生器應用形式分類

根據渦流發生器控制附面層分離情況，可以分為被動型和主動型.

目前應用最為廣泛的是固體式的被動型渦流發生器.此類渦流發生器安裝在特定位置，針對特定工況下，可以很好的延緩湍流附面層的分離，起增升降阻作用，但當不存在流動分離的情況下，被動式渦流發生器會增加形阻.

主動式渦流發生器是指渦流射管（vortex generator jet），在易產生流動分離區域前方一定距離處，安裝特定管徑、特定偏航角度（與主流方向間夾角）、特定俯仰角度、特定射流速度（與主流速度比值）的射管，根據運行工況，可以調節渦流射管射流速度，達到合理利用渦流發生器控制流動分離的目的.

2 被動式渦流發生器應用

2.1 被動式渦流發生器在增升降阻中的應用

早在20世紀60年代，Schubauer，Lachmann，Pearcey［2］對渦流發生器控制平板湍流附面層的流動機理進行了研究，研究了渦流發生器流動的湍流結構、流向渦的發展等.進入20世紀90年代，渦流發生器應用于飛機部件流動控制的研究進入高潮，Klausmeyer［3］，J.C.Lin，Wheeler，Broadley［4］，Fulsang Ashill［5］等對用于翼型和機翼湍流附面層控制的渦流發生器原理作了大量試驗研究工作.國內對渦流發生也進行了大量研究，如段卓毅［6］等簡要回顧了渦流發生器在飛機增升裝置中的應用.倪亞琴［7］研究渦流發生器及其對邊界層的影響.閻文成［8］對渦流發生器進行系統性研究總結，并針對一超臨界翼形，在西北工業大學國防重點試驗室NF－3低速風洞試驗室中進行了超臨界翼型的轉捩特性，壓力分布特性及氣動力特性等.

渦流發生器，關鍵因素之一是其高度與當地附面層厚度之間的關系.因為湍流邊界層速度特性如圖1所示，邊界層厚度0.2δ以下，是粘性作用的主要區域，速度從零增長到外流速度的75%左右，在粘性和逆壓梯度雙重作用下，導致邊界層在該區域發生分離，可見，只要該區域的流動速度得到提高，邊界層抵抗分離的能力就增加，因此渦流發生器控制流動分離的機理是：渦流發生器產生的渦流應盡可能地注入到邊界層厚度0.2δ（δ為邊界層厚度）以下，靠近物面邊界層的底部.

圖1 湍流邊界層速度剖面

2.2 被動式渦流發生器在加速熱交換中的應用

渦流發生器由于其能加速后方湍流附面層內流體的流動速度，使邊界層厚度變薄，從而減小熱阻，起到強化熱交換的目的，因此逐步應用于冶金、化工、石化、能源等領域進行強化換熱，提升熱能利用.如周國兵［9］，鄭慧凡［10］等進行了渦流發生器對強化換熱的試驗.結果表明，渦流發生器能明顯改善換熱效果，而且影響換熱效果關鍵因素為迎流夾角及排列方式等.

2.3 被動式渦流發生器在船舶領域的應用

渦流發生器由于其能延緩流體分離，加速附面層內流體的流體速度，因此，近年來船舶工作者將其引入，收到意想不到的效果.

Lee Pyungkuk［11］等人利用CFD計算技術，探討了三角形渦流發生器對低速船舶尾流場的影響.他們在劃分網格時，在渦流發生器附近進行加密處理后，共計算了渦流發生器在船舶不同縱向位置、不同高度（橫向位置）、不同迎流夾角等螺旋槳處流場特性，即計算渦流發生器后流線，軸向伴流分數以及速度分布云圖，計算結果表明，安裝合適的渦流發生器后軸向速度可增加10%左右，如圖2，圖3.

圖2 螺旋槳0.7R處伴流曲線

圖3 渦流發生器在不同縱向位置速度分布

2008年，中船重工702研究所陸芳、黃紅波［12］等人遇到某大湖型船螺旋槳存在嚴重的槳船連體渦空泡，試驗中螺旋槳空泡誘導脈動壓力極為劇烈，超出此類船舶脈動壓力可接受范圍，為了解決脈動壓力引起船舶振動問題，重新設計多個螺旋槳（增大側斜，改變縱傾，葉梢部御載等）均未解決螺旋槳連體渦空泡，隨后利用CFD的計算分析發現，該船尾有嚴重的流動分離現象，如圖4a）所示，通過在船體尾部合適位置安裝優化的渦流發生器后，船尾流動分量消失，如圖4b）所示，隨后在船模尾部合適位置安裝合適渦流發生器，在大型循環水槽進行了原槳空泡脈動壓力試驗，在渦流發生器條件下，螺旋槳連體渦空泡完全消除，并大幅度降低螺旋槳激振力大小，如圖5所示.渤海重工建造實船按此方案安裝渦流發生器后，大幅度降低船舶振動，受到船東，船廠多方高底贊揚.這是渦流發生器首次在國內船舶減振上成功應用.

圖4 大湖型船渦流發生器安裝前后船尾流動比較

圖5 渦流發生器對脈動壓力影響

2010年，某多用途船［13］在實船首次試航時，實航航速滿足要求，但其船尾部振動劇烈，各艙室、房間及辦公場所振動、噪聲幾乎全超標，無法順利交船.分析此船軸向伴流場發現，此船伴流場分布形式與2008年大湖型船伴流場極為相似，因此考慮使用渦流發生器作為該多用途船減振手段，在大型循環水槽進行了渦流發生器優化試驗方案研究，試驗結果表明：合適的渦流發生器能大幅度降低螺旋槳空泡誘導脈動壓力大小，如圖6所示.

圖6 渦流發生器安裝前后脈動壓力實船預報結果對比

實船按模型試驗優化方案安裝渦流發生器后進行了第二次實船試航，實船航速幾乎無變化（兩次航速變化在0.2%以內），但船尾部分測點（主機房、主甲板、二層甲板、三層、四層甲板的房間以及辦公場所、駕駛室以及雷達桅桿處甲板等）處振動明顯減小，如圖7所示.實船二次試航結束半月后，船廠圓滿完成了交船任務.

圖7 渦流發生器安裝前后振動測量結果比較

3 主動式渦流發生器應用

主動式渦流發生器（vortex generator jet）可以實現主動流動控制，在不同運行工況均能工作，并取得較好效果.特別是在流體機械領域，葉輪和擴壓器內流動分離失速直接關系到壓縮機的運行安全，人們在對流體機械內流動機理進行研究的同時，逐漸將目光轉到對流體機械內部流動控制方面的研究上.在過去用于流動分離控制的技術設備中，最成功的策略是向將要發生分離的邊界層內吹入高動量的流體，以抑制流動分離的發生，提高壓縮機性能.

與固體渦流發生器相比渦流噴管具有實現主動流動控制的潛力.主動的直接作用于湍流的微細渦流控制方法，可以隨著流動狀態的變化適時地加以調整，是一種非常靈活的控制策略.通過調節閥門，控制誘發渦的強度，在適當的流動條件下，當分離失速控制不需要實施時，只要關閉噴射管就可以了，采用渦流噴管不會象固體渦流發生器那樣產生阻力損失.

渦流噴管的性能主要包括以下參數：安裝位置、管徑、射流管與流動方向所形成的前向傾斜角、射流管與壁面所形成的側向傾斜角、射流速度與主流速度之比，如果布置多個射管，還需要考慮渦流射管的個數與間隔，常見渦流發生器配置如圖8所示.

圖8 渦流發生器配置示意

渦流射管技術最初于1952年被Wallis作為一種主動的控制方法引入，主要用于推遲湍流邊界層激波分離的目的.

2003年，Rixon［14］和Johari在水筒中利用粒子成像技術對渦流發生器控制邊界層的效果進行實驗測量，實驗得到主流渦的流通環量、峰值強度及在壁面法線上的位置與噴射速度成線性關系，旋渦的位置、強度和影響范圍與向射流的前向偏斜角、速度比有著密切關系，在了一個最優位置和尺寸參數使得流動分離控制效果達到最佳狀態.郭婷婷［15］等人研究了射入均勻橫流中單股湍動射流對流場的影響，認為傾斜角度和速度比對流場影響很大，射流對主氣流的影響主要集中在射流發生彎曲直至與主流平行的區域中.

孫得川［16］等人對平板單股射流干擾流場和噴管擴張段二次射流干擾流場進行了數值研究，數值結果顯示射流／主流總壓比的升高使射流穿透深度增加，分離點遠離射流處，并且射流與主流的夾角、射流寬度對干擾流場的主要特征有一定影響.

Linu［17］和Nishi等人采用雷諾平均N－S方程結合紊流模型對4種類型的擴壓器在帶有和不帶有渦流發生成器時內部流動進行了數值分析.數值結果考察了速度比、渦流發生成器配置數目、位置、孔徑等參數對擴壓器性能的影響以及縱向渦、二次渦在擴壓器內的生成、發展和衰減過程.在一定的速度比范圍內，壓力恢復系數隨射流速度比增大而增大.隨著流動向下游發展，誘發渦的強度迅速衰減（非線性的），渦的尺寸（流動影響區域）增大.

關于渦流發生器流動控制的研究，大多數都提示了其在流動控制領域的應用價值和巨大潛力.通過對渦的生成、遷移和耗散過程及其對邊界層內部流場的研究，為進一步提高其控制性能打下堅實的基礎.美國、日本等發達國家在渦流發生器機理及其在湍流邊界層分離控制中的應用等方面進行了卓有成效的研究.目前我國關于渦流發生器的研究處于發展階段，對于渦流發生器在葉輪機械中的應用，特別是在抑制葉輪機械內流動分離、擴大穩定工況范圍等方面還沒有進行實際有效的研究，還有許多問題有待解決.

4 結 論

1）船舶振動噪聲問題日益增多，綠色環保船舶是未來發展趨勢，渦流發生器是解決船舶尾部振動最為簡便有效措施之一，值得深層次分析研究，拓展其應用廣度.

2）渦流射管作為一種主動控制手段，可廣泛應用多個行業領域，但其控制參數眾多且相互影響，需要歸納主要控制參數影響規律，擴大其在工程應用可靠性.

3）渦流發生器渦生成機理，渦運行過程，是認識渦流發生器功效最根本原因，需理論分析并試驗驗證.

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