渦流發生器在流體機械流動控制中應用研究進展

王鋒

摘 要：隨著科技的發展，機械設備在人們的日常生活中運用得越來越多。其中流體機械的運用也較多，流體機械運行中能夠很好地被控制主要依靠的是渦流發生器。文章對渦流發生器在實驗測量和數值計算兩方面加以研究分析，從而明確渦流發生器的發展方向。

關鍵詞：渦流發生器；流動控制；應用研究

中圖分類號： V233.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-178-2

1 概述

社會不斷進步和發展使得更多的機械化設備在人們的日常生活中被運用，機械設備的類型很多，其中一種就是流體機械。流體機械不同于其他機械特點的主要是流動力，這個流動力如果掌握得不好就會發生危險，也就是葉輪和擴壓器內流動分離發生失速。因此，人們逐漸關注對流體機械內流動原理的研究和分析，流體機械流動分離控制技術主要依靠的是渦流發生器，通過分析渦流發生器的控制機理，改善目前流體機械應用的發展前景。

2 渦流發生器在流體機械流動控制的研究分析

渦流發生器的參數主要包括：安裝位置、射流管、管徑和流動方向形成的傾斜角、主流速度和射流速度之間的比值，如果布置的點較多時，渦流發生器的個數和間隔都是需要被考慮進去的。

簡單來說，要想流動的控制效果能夠達到一個最佳值，每個參數都應該有一個最佳的范圍，如果參數超出了該范圍，控制效果會大大削弱。以前向傾斜角為例，如果傾斜的角度超出了范圍，射流產生的渦旋會快速穿過邊界層，無法產生固定的控制效果，所以目前研究人員的工作重心應該是選擇合理的參數，達到最佳的流動控制效果。主流和噴孔中發出的射流在互相作用的情況下產生了離散的縱向渦，這種渦結構有著高動量，注進分離區時會對周圍的流體產生誘導作用，邊界層的外高能流體進入邊界層內部，然后和其內部的低能流體交換能量。與此同時，射流產生的誘導渦會造成邊界層內流體的能量分布發生改變。過程中，流動向下游發展，渦開始緩慢耗散，渦量不斷變小，有效的范圍逐步擴大，這樣一定程度抑制或者延緩了流動分離情況的出現。

早在1952年沃利斯就已經提出了渦生成技術，它是被動地控制法引進的，提出的主要目的是推遲湍流邊界層激波的分離。沃利斯還指明如果流動方向和壁面實現了傾斜角的噴射管被合理利用之后，會產生離散型的縱向渦，可以有效控制邊界層的分離和流動失速的情況。最近幾遍，計算機、控制和測試技術都在不斷地完善，發展勢頭非常迅猛，在實驗和數值模擬這塊，渦流發生器在流動的控制機理和應用的潛力也有著明顯的增強的趨勢。

為了證明理論的正確性，在1990年約翰斯頓和尼西做了低速氣流的實驗，較為明顯地展現出在抑制或者是消除流動分離中渦流發生器的重要作用。由于渦流發生器可以產生比較強的縱向渦，所以可以有效減弱甚至消除在紊流區域的流動分流的情況。

如果射流和主流速度的比值大于0.08及以上時，抑制分離的效果會更加的明顯。

如果側向的傾斜角是平角，渦流發生器對流動不會產生影響。

展翼的布置中噴射管會對流動控制產生積極重要的影響作用。

3 問題分析

在實驗和數據分析作用下，我們明確地了解到渦流發生器在抑制流動分離這塊的積極意義和廣闊前景，但是和固體的渦流發生器對比之后發現，射流發生器的研究深度不夠。研究者是通過數據和試驗等手段對于流動分離失速控制的應用上有了較大的成果，而在流動控制方面的研究，脈沖射流和合成射流也有了較多收獲，但是我們要正確地認識到在渦流的產生和耗散機理上的研究雖然有較大進展，但是還是存在著一些問題，這些問題在實際的應用中主要表現為以下幾個方面：

流動分離控制方面渦流發生器潛力的大小，尤其是流動的主動控制的實現問題，熱傳導和薄膜冷卻技術如何應用縱向渦。

失速控制上，如何選擇最佳的渦流生成噴射管結構；流動控制中，脈沖射流的渦流生成器的頻率和振幅的重要影響。

渦流發生器是一種流動性質的控制策略，減少、抑制流動分離時有著良好的效果，為了保證渦流發生器的流動控制實現有效性，要對流場的內部結構有一個較為細致的了解，并且在設計上能夠更好地幫助和指導相關工作的開展。

如果前向傾斜角小于四十五度時，側向傾斜角在銳角和之間中間的噴管口能夠產生較強的渦，但是部分情況下，側向的傾斜角為六十度時，可以產生更大的旋渦。分離邊界層的縱向深度要有所保證，當傾斜角在三十度以下時，渦生成器的效率最高，最弱的情況是在側向角小于四十五度，前向傾斜角為直角，流動分離控制所起的作用力是最小的。

實際的工作中，較大多數情況下，噴管孔的直徑會遠遠小于邊界層的厚度，區域薄，所以直徑尺寸小，但是管子的孔徑尺寸的選擇并不固定，噴孔最小的情況下可能為最佳的狀態。

4 渦流發生器在離心壓縮機流動控制中的應用

流動機械的運行主要依靠的是葉輪和擴壓器的流動分離作用，當他們分離的速度失去控制時就會對壓縮機的運行構成危險。因此，人們對流體機械內部的流動控制機理的研究產生了興趣，在流動機械的控制作用上主要起作用的就是渦流發生器。渦流發生器的主要作用是在葉輪和擴壓器將要發生分離之時從邊界層內吹入高動量的流體，這樣可以有效地抑制住分離時的速度，從而提高壓縮機的工作性能。

早在20世紀的70年代到90年代之間，美國人就對流動機械的控制機理進行了理論方面的研究，研究的方法主要是通過試驗和數值研究來進行的，當時所能夠進行研究的就是以肋片作為對象，試驗流動機械流動控制的機理。在當今社會，人們對流動機械流動控制機理研究主要是通過渦流發生器來實現的。通過試驗渦流發生器對壓縮機性能的控制作用，分析流動控制速度，擴大研究范圍。歐洲國家在此研究上，更傾向于實用性，試圖找到更加方便和實用的控制方法。但就目前而言，在流動機械的流動控制上還處于不成熟的階段，存在的問題主要是對湍流這樣復雜的想象還沒有很好地了解，對于湍流的控制還沒有相對應的技術支持。

渦流發生器對流體機械流動的控制進行試驗分析。早在20世紀90年代，人們就應用渦流發生器對擴壓器內部進行了流動控制實驗，對流動控制主要操作了兩種方案，其一是穩態固體噴射管，其二是主動反饋流動控制。都進行了詳細的試驗分析。通過試驗分析得出的結論是主動反饋流動控制可以降低擴壓器內部的瞬間失速的狀態，改變不穩定性，而穩態固體噴射管罐對擴壓器的壓力恢復具有很好的效果。如果將兩種方法聯合起來運用將會使得擴壓器的性能得到提高。

在2003年，我國研究者也對流動機械流動控制進行了應用的研究，研究的成果合成射流在流動機械上面的運用很好地控制了流動的流速，并且對流體機械性能的提高也具有很大的影響。對流體機械湍流的研究分析，通過振蕩射流改善翼型升力機理，這樣方法的應用對分離區內和主流區內的能量交換具有積極作用，但是對壓力面不存在影響。

分析了多種渦流發生器在流體機械控制上面的應用情況，國外的一些發達國家在這方面的造詣比較深，我國相對而言還處于一個發展的階段，很多的技術還存在著問題。流動控制的研究情況比較復雜，需要長期不懈地努力和科學技術的發展。目前我國在流動控制研究中，對抑制葉輪機械內流動分離和擴大穩定等方面還沒實際展開，仍存在著一些問題需要去探索。

5 結束語

通過上述的研究分析我們了解到，渦流發生器在流動機械的應用中所起到的重要作用。了解渦流發生器工作的原理，分析目前渦流發生器應用中所存在的問題，以便于明確渦流發生器應用的研究方向。在對渦流發生器的研究中主要是通過實驗和數值模擬的方法進行的，可以充分地掌握渦流發生器的工作狀態。渦流發生器的研究數據還是比較少，繼續研究探索渦流發生器的機理，為流動機械能夠更加安全穩定的發展提供條件。

參 考 文 獻

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