合成雙射流及其流動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)展

羅振兵, 夏智勛, 鄧 雄, 王 林, 李玉杰, 馬 瑤, 王俊偉, 彭 磊, 蔣 浩, 楊升科, 楊 瑞

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

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合成雙射流及其流動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)展

羅振兵*, 夏智勛, 鄧 雄, 王 林, 李玉杰, 馬 瑤, 王俊偉, 彭 磊, 蔣 浩, 楊升科, 楊 瑞

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)一直以來都是流體力學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。針對傳統(tǒng)合成射流流動(dòng)控制環(huán)境適應(yīng)性差和能量效率不高的問題，發(fā)展了合成雙射流及其流動(dòng)控制技術(shù)。本文對其主要研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。研究提出了基于能量綜合利用和氣體增壓原理的合成射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)基本思想，發(fā)明了合成雙射流、矢量合成雙射流、合成雙射流基連續(xù)射流、合成熱/冷射流、自持式合成雙射流等系列化新型合成射流激勵(lì)器。合成雙射流激勵(lì)器解決了壓載失效帶來的環(huán)境適應(yīng)性問題，且具有能量效率、可控頻率倍增特性以及特有的矢量功能。開展了合成雙射流分離流控制、矢量控制、超聲速/高超聲速進(jìn)氣道流場控制、氣動(dòng)熱控制、散熱冷卻、防除冰、水下仿生推進(jìn)等應(yīng)用方向，驗(yàn)證了合成雙射流控制效率倍增和應(yīng)用于極端環(huán)境的新功能。

合成雙射流；激勵(lì)器；因控論；主動(dòng)流動(dòng)控制；流動(dòng)分離控制；射流矢量控制；超聲速/高超聲速流動(dòng)控制；熱管理

0 引 言

對流場的操控具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，流動(dòng)控制可以延遲轉(zhuǎn)捩和分離、增升減阻、湍流增強(qiáng)以及噪聲抑制等，高效的流動(dòng)控制系統(tǒng)不僅能夠顯著提高地面、海上和空中運(yùn)輸工具的工作性能和節(jié)省每年數(shù)十億美元的燃料消耗，而且能夠得到更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和更具有競爭力的工業(yè)生產(chǎn)過程，這使得流動(dòng)控制技術(shù)近幾十年來一直是流體力學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)[1-2]。流動(dòng)控制研究可以追溯到20世紀(jì)初普朗特邊界層理論的提出[3]。20世紀(jì)90年代以來，隨著對各種流體機(jī)械可操縱性、機(jī)動(dòng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和減少環(huán)境污染等要求的提高以及高超聲速飛行器的發(fā)展，流動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入以主動(dòng)流動(dòng)控制研究為熱點(diǎn)的發(fā)展階段[4-7]。2009年美國航空航天學(xué)會(huì)將降噪減排和主動(dòng)流動(dòng)控制列為21世紀(jì)十項(xiàng)航空航天前沿技術(shù)的第1和第5項(xiàng)[8]。 2002年以來國際流體力學(xué)頂級期刊Annual Review of Fluid Mechanics連續(xù)發(fā)表了3篇主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)綜述文章[9-11]，重點(diǎn)對主動(dòng)流動(dòng)控制合成射流激勵(lì)器和等離子激勵(lì)器進(jìn)行了綜述。國內(nèi)羅振兵、張攀峰、聶萬勝、王林、吳云等也重點(diǎn)對合成射流和等離子體流動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了綜述[12-16]。以上綜述文獻(xiàn)均表明，主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯，其核心基礎(chǔ)是主動(dòng)流動(dòng)控制激勵(lì)器，其性能已成為制約主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。

當(dāng)前研究最為活躍的四種典型流動(dòng)控制技術(shù)中，發(fā)展最迅速的是合成射流和等離子體主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)(圖1)。20世紀(jì)90年代喬治亞理工學(xué)院Glezer等發(fā)明了一種壓電式合成射流激勵(lì)器[17]，如圖2所示。合成射流激勵(lì)器工作合成的射流最大速度達(dá)到數(shù)十至上百米每秒，頻率達(dá)到數(shù)百和上千赫茲，其較強(qiáng)的流場控制能力和“零質(zhì)量”無源優(yōu)勢引起了流體力學(xué)界尤其是流動(dòng)控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和深入研究。特別值得提到的是，南京航空航天大學(xué)明曉教授在20世紀(jì)80年代末研究聲學(xué)整流效應(yīng)中也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了零質(zhì)量射流現(xiàn)象[18]。Glezer等發(fā)明的合成射流激勵(lì)器射流速度大且易于小型化和電參數(shù)控制，使其在流動(dòng)控制和流體傳輸領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景[9,12-13]，特別是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展十分迅速。2006年AIAA Journal以專欄形式發(fā)表了合成射流數(shù)值模擬驗(yàn)證的系列論文，并將合成射流稱為現(xiàn)代流體力學(xué)的新突破[19]。

圖1 四類最為活躍流動(dòng)控制技術(shù)SCI和EI收錄論文數(shù)Fig.1 Papers included by SCI and EI on four main kinds of active flow control technology

圖2 合成射流激勵(lì)器工作示意圖及實(shí)驗(yàn)紋影圖[17]Fig.2 Schematic and schlieren graph of synthetic jet[17]

雖然合成射流技術(shù)發(fā)展迅速和應(yīng)用廣泛，但沒有高速流動(dòng)控制實(shí)際應(yīng)用。作者及合作者在早期開展合成射流超聲速流動(dòng)控制研究中發(fā)現(xiàn)，合成射流激勵(lì)器環(huán)境適應(yīng)性差和控制能力不足嚴(yán)重了制約其應(yīng)用于高速流動(dòng)控制[20]。傳統(tǒng)合成射流激勵(lì)器基本構(gòu)型如圖2左圖所示，振動(dòng)膜兩個(gè)側(cè)面分別在受控流場和環(huán)境流場，當(dāng)其工作時(shí)，向環(huán)境一側(cè)流場做功的能量耗散浪費(fèi)在環(huán)境中，導(dǎo)致能量效率不高；更為嚴(yán)重的是其環(huán)境適應(yīng)性問題，當(dāng)激勵(lì)器控制流場和環(huán)境外流場之間流動(dòng)參數(shù)差異較大時(shí)，如壓差較大，振動(dòng)膜由于壓載將無法起振，激勵(lì)器將無法正常工作，過大的壓差甚至?xí)捍┱駝?dòng)膜，對合成射流激勵(lì)器造成毀滅性破壞，這種情況廣泛存在于超聲速/高超聲速流動(dòng)和高壓裝備中，如超聲速/高超聲速流動(dòng)中激波帶來的壓力大幅度脈動(dòng)，高壓燃燒器、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及噴管流動(dòng)等內(nèi)流壓強(qiáng)比外環(huán)境高得多。

針對合成射流以上局限性，提出了基于能量綜合利用和增壓原理的合成射流基本概念和流動(dòng)控制“因控”基本思路，發(fā)明設(shè)計(jì)了系列化合成雙射流激勵(lì)器，解決了合成射流技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性差和控制能力弱的瓶頸問題，大幅度提高了其控制效率，并開拓了合成雙射流應(yīng)用新方向，主要研究進(jìn)展綜述如下。

1 合成雙射流

1.1 合成射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)的基本思想[20-23]

合成射流激勵(lì)器本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，合成射流激勵(lì)器需要在其腔體建立壓差Δp來驅(qū)動(dòng)氣體形成射流。鑒于此，作者提出了基于系統(tǒng)論的能量綜合利用和氣體增壓原理的合成射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)思想。

1.1.1 基于氣體狀態(tài)方程增壓合成射流[20-21]

對于靜止或低速流場環(huán)境下，由氣體狀態(tài)方程可得到氣體增壓方式如下：

式中m、M分別為氣體的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量。由式(1)可知：合成射流激勵(lì)器腔體壓強(qiáng)有三種增壓方式，對應(yīng)可以設(shè)計(jì)壓縮型、升溫型、加質(zhì)型三種類型及其組合型合成射流激勵(lì)器。

傳統(tǒng)合成射流激勵(lì)器的設(shè)計(jì)方法都是基于理想氣體狀態(tài)方程，通過外部輸入能量增壓來形成合成射流，將合成射流激勵(lì)器作為個(gè)體而不是放在整個(gè)系統(tǒng)中來綜合考慮，其設(shè)計(jì)的工作環(huán)境主要針對靜止或低速流場環(huán)境，因此當(dāng)其應(yīng)用于其它環(huán)境如高超聲速流動(dòng)，便不可避免地存在環(huán)境適應(yīng)性問題。

1.1.2 基于能量守恒方程動(dòng)能增壓合成射流[22]

對高速流動(dòng)環(huán)境，基于能量轉(zhuǎn)化和守恒方程，高速流體的動(dòng)能可轉(zhuǎn)化為壓力能，從而增大激勵(lì)器腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)，由伯努利方程可得激勵(lì)器腔內(nèi)氣體增壓：

式中γ為氣體比熱比，下標(biāo)1和2分別表示高速來流環(huán)境和激勵(lì)器內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)。激勵(lì)器腔內(nèi)氣體速度很小。

式(2)即為基于能量守恒方程動(dòng)能增壓原理合成射流的基本思想，突破了傳統(tǒng)合成射流激勵(lì)器的設(shè)計(jì)思想，并從系統(tǒng)論出發(fā)將合成射流激勵(lì)器的設(shè)計(jì)融入環(huán)境之中，充分利用了環(huán)境流場來流的能量。基于來流動(dòng)能增壓合成射流思想，發(fā)明了動(dòng)壓式合成射流激勵(lì)器[22]，其與傳統(tǒng)合成射流激勵(lì)器的最大區(qū)別是增加了動(dòng)壓式進(jìn)口，其增壓性能與高速來流自適應(yīng)耦合，不但解決了升溫型合成射流激勵(lì)器(如電火花式等離子體合成射流激勵(lì)器)環(huán)境適應(yīng)性問題，而且將其工作范圍擴(kuò)展到氣體密度較低和溫度較高的高速流動(dòng)環(huán)境(如近空間低密度大氣環(huán)境和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流道高溫高速氣體環(huán)境)，使其具有廣域自適應(yīng)控制能力，這對于寬速域高超聲速飛行器流動(dòng)控制具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1.1.3 基于氣動(dòng)熱供能和激波增壓合成射流[23]

對于高超聲速流動(dòng)環(huán)境，飛行器內(nèi)外流場存在激波現(xiàn)象和氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。經(jīng)過激波，氣體的壓強(qiáng)會(huì)突然升高，由激波前后壓強(qiáng)關(guān)系式可得到氣體增壓公式如下：

式中β是激波與波前氣流方向的夾角。高超聲速條件下式(3)的增壓效果遠(yuǎn)優(yōu)于式(2)。實(shí)際上，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)就是通過進(jìn)氣道多道激波實(shí)現(xiàn)增壓的。

高超聲速飛行器飛行過程中，氣動(dòng)熱現(xiàn)象及其帶來的熱防護(hù)問題嚴(yán)重。通過溫差發(fā)電技術(shù)將氣動(dòng)熱轉(zhuǎn)化為電能，一方面可以降低熱防護(hù)要求，一方面可以提供電能，為合成射流激勵(lì)器工作和控制提供所需電能。

綜上，將流動(dòng)控制系統(tǒng)(合成射流激勵(lì)器)、受控對象系統(tǒng)(高超聲速飛行器)以及環(huán)境系統(tǒng)綜合考慮，提出了能量綜合利用合成射流的思想，即通過高超聲速流氣動(dòng)力(激波增壓原理)增壓供氣和高超聲速流氣動(dòng)熱轉(zhuǎn)化供能(溫差發(fā)電與熱防護(hù)一體化)，實(shí)現(xiàn)合成射流激勵(lì)器系統(tǒng)完全自維持工作。高超聲速流能量綜合利用合成射流示意如圖3所示。基于能量綜合利用合成射流思想，發(fā)明了零能耗零質(zhì)量合成射流激勵(lì)器[23]。

圖3 高超聲速流能量綜合利用合成射流示意圖Fig.3 Sketch of synthetic jet based on energy integrated utilization of hypersonic flow

1.2 合成雙射流激勵(lì)器系列及特征

基于提出的能量綜合利用和增壓原理合成射流思想，發(fā)明設(shè)計(jì)了合成雙射流激勵(lì)器，并在合成雙射流激勵(lì)器基礎(chǔ)上，開發(fā)了一系列合成射流激勵(lì)器。

1.2.1 合成雙射流激勵(lì)器[20,24-28]

為了解決常規(guī)合成射流激勵(lì)器內(nèi)外流場壓差引起的振動(dòng)膜工作失效問題和能量效率偏低的問題，基于增壓原理并綜合利用振動(dòng)膜雙向振動(dòng)能量，發(fā)明了單膜雙腔雙口合成射流激勵(lì)器[26](簡稱合成雙射流激勵(lì)器)，合成雙射流激勵(lì)器由兩個(gè)出口、兩個(gè)腔體共用一個(gè)振動(dòng)膜構(gòu)成，如圖4。

圖4 合成雙射流激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意及PIV試驗(yàn)圖[20]Fig.4 Sketch and PIV result of dual synthetic jets actuator[20]

合成雙射流激勵(lì)器的創(chuàng)新和優(yōu)越之處在于兩腔體共用一個(gè)振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)避免了受控流場和環(huán)境流場間壓差引起的振動(dòng)膜壓載失效，解決了合成射流環(huán)境適應(yīng)性問題；充分利用了振動(dòng)膜雙向振動(dòng)能量，能量利用效率提高近一倍(圖5)；合成雙射流頻率是振動(dòng)膜激勵(lì)頻率兩倍，可控流場特征頻率范圍提高一倍；振動(dòng)膜兩側(cè)同時(shí)處于受控流場，不直接作用環(huán)境流場，與振動(dòng)膜一側(cè)處于環(huán)境流場相比，大幅度降低了振動(dòng)膜振動(dòng)引起的環(huán)境噪聲。

圖5 合成雙射流激勵(lì)器與合成射流激勵(lì)器能量轉(zhuǎn)化效率[28]Fig.5 Energy efficiencies of dual synthetic jets actuator and synthetic jet actuator[28]

1.2.2 矢量合成雙射流激勵(lì)器[20,29-32]

1) 滑塊控制矢量合成雙射流激勵(lì)器。通過調(diào)流滑塊控制合成雙射流激勵(lì)器兩個(gè)出口面積比，可以有效控制兩股射流動(dòng)量比，使得合成雙射流激勵(lì)器本身形成的射流具有獨(dú)特的矢量功能，如圖6(a)，且具有優(yōu)異的線性控制特性，如圖6(b)。

(a) 紋影和PIV試驗(yàn)流場測試

(b) 比例控制特性

2) 全電控制矢量合成雙射流激勵(lì)器。通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號的不對稱性(信號斜率，如圖7(a))，可以調(diào)制振動(dòng)膜雙向振動(dòng)速度不同，進(jìn)而控制兩股射流的動(dòng)量比，使得合成雙射流激勵(lì)器本身形成的射流具有矢量功能，如圖7(b)，從而完全實(shí)現(xiàn)了全電參數(shù)控制下的矢量合成射流技術(shù)，該技術(shù)極大拓展了合成射流技術(shù)的控制能力和實(shí)用性。

1.2.3 合成雙射流連續(xù)流激勵(lì)器[20,33-35]

提出往復(fù)式微泵實(shí)現(xiàn)連續(xù)流傳輸思想，即利用兩股流量、波動(dòng)幅值及頻率相同、相位恰好相反的泵流來合成一股流量連續(xù)定常穩(wěn)定的射流(圖8(a))。基于該思想，在合成射流無閥微泵[33]的基礎(chǔ)上，利用合成雙射流激勵(lì)器工作時(shí)能夠產(chǎn)生反相的兩股射流，且這兩股射流在向下游遷移過程中融合成一股波動(dòng)明顯減小的合成射流，發(fā)明了一種基于合成雙射流激勵(lì)器的連續(xù)流激勵(lì)器[34](圖8(b))。仿真結(jié)果表明，合成雙射流激勵(lì)器連續(xù)流激勵(lì)器的射流流量QPJ倍增且在一個(gè)周期內(nèi)任何時(shí)刻都始終保持恒定值(圖8(c)，流量波動(dòng)率小于0.01)[35]，解決了傳統(tǒng)往復(fù)式微泵不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)流傳輸和傳統(tǒng)連續(xù)流微泵流量小的問題。連續(xù)流微泵在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

1.2.4 多孔合成射流激勵(lì)器[36]

在合成雙射流激勵(lì)器基礎(chǔ)上，結(jié)合大面積流場控制和局部點(diǎn)控制的需求，設(shè)計(jì)了單膜雙腔多孔合成射流激勵(lì)器[36]，如圖9所示。應(yīng)用于散熱方向具有以下特征，一方面，多孔結(jié)構(gòu)可以大大增加了其出口射流的影響域，有效增加其散熱面積和散熱的均勻性；另一方面，可以對局部熱點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)散熱，提高對局部高溫的控制能力。

1.2.5 合成熱/冷射流激勵(lì)器[37-38]

在合成雙射流激勵(lì)器基礎(chǔ)上，發(fā)明設(shè)計(jì)了合成熱/冷射流激勵(lì)器[37]，如圖10所示。以合成熱射流激勵(lì)器為例，由合成雙流激勵(lì)器和熱源組成，熱源可以是貼在激勵(lì)器腔體內(nèi)表面上電熱片，并通過表面翅片與激勵(lì)器腔體內(nèi)空氣充分接觸并傳播熱量，電熱片可以替換為安裝在激勵(lì)器腔體內(nèi)的電阻絲或電阻網(wǎng)，熱源也可以利用外部廢熱/余熱對激勵(lì)器腔內(nèi)氣體進(jìn)行加熱。合成熱射流激勵(lì)器將電能同時(shí)轉(zhuǎn)化為射流熱能和動(dòng)能，動(dòng)能和熱能協(xié)同作用，可顯著加速熱量輸運(yùn)擴(kuò)散，大幅度提高除濕、除霜、除冰效率[38]。相應(yīng)地，將合成熱射流激勵(lì)器發(fā)熱模塊換成制冷模塊，則可以合成冷射流。

圖7 全電控制矢量合成雙射流技術(shù)[32]Fig.7 Vectoring dual synthetic jetscontrolled by simple electric parameters[32]

圖8 合成雙射流連續(xù)流激勵(lì)器[35]Fig.8 A continual flow actuator based on dual synthetic jets[35]

圖9 單膜雙腔多孔合成射流激勵(lì)器結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物照片[36]Fig.9 Sketch and photo of a multiple orifice synthetic jet actuator[36]

圖10 合成熱/冷射流激勵(lì)器[37]Fig.10 Hot / cool synthetic jet actuator[37]

1.2.6 自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器[39-40]

在合成雙射流激勵(lì)器基礎(chǔ)上，基于能量綜合利用和增壓原理的合成射流思想，結(jié)合超聲速/高超聲速流場特征，發(fā)明了自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器[39-40]，該激勵(lì)器為單膜雙腔四口對稱結(jié)構(gòu)(圖11)。

圖11 自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器及其工作原理示意圖Fig.11 Sketch of structure and operational principle of self-sustained suction/blowing actuator

自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器從高速氣流高壓區(qū)吸入流體并且從低壓口排出氣體，產(chǎn)生自持循環(huán)射流，利用自持循環(huán)射流對超聲速流場進(jìn)行控制，激勵(lì)器振動(dòng)膜振動(dòng)主要起到加強(qiáng)射流渦量和調(diào)控射流頻率的作用。

2 合成雙射流主動(dòng)流動(dòng)控制

2.1 流動(dòng)控制基本思想

因控論是基于物象因-果邏輯，通過控制“因”，從而避免“果”的發(fā)生或控制“果”的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)防患于未然[41]。因-果關(guān)系普遍存在于人類社會(huì)和自然界的各個(gè)方面，因控論具有普遍性；因控是通過控制“因”從“源”上來控制或避免“果”的發(fā)生，防于未然，對“癥”(因果邏輯)下“藥”(控制方法)，對“因”使“能”，可以達(dá)到能量消耗低且易于實(shí)現(xiàn)的控制效果，因控具有未然性和高效性。

流動(dòng)控制是通過對運(yùn)動(dòng)流體施加或者改變力、質(zhì)量、熱能、電磁等物理量來改變原來的流動(dòng)狀態(tài)，從而使得流動(dòng)在時(shí)間和空間的分布滿足所需要求，其作用和目的包括：延遲/提前轉(zhuǎn)捩、抑制/增強(qiáng)湍流、阻止/促進(jìn)分離、增升減阻、增強(qiáng)摻混或傳熱、抑制流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲等。主動(dòng)流動(dòng)控制是在流動(dòng)環(huán)境中直接注入合適的擾動(dòng)模式，以與系統(tǒng)內(nèi)在模式相耦合達(dá)到控制目的，即是在流動(dòng)現(xiàn)象機(jī)理(因果邏輯)基礎(chǔ)上，通過對“因”使“能”，控制“因”，來避免或者控制“果”的發(fā)生，主動(dòng)流動(dòng)控制本質(zhì)上就是要一種“因控”技術(shù)。

旋渦和剪切是流體運(yùn)動(dòng)的基本能量形式(旋渦是流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的“肌腱”)和能量基本傳遞形式，流動(dòng)控制在很大程度上是對旋渦和剪切流的控制。合成射流就是流體周期性非定常流動(dòng)剪切而成的旋渦射流，基于合成射流的流動(dòng)控制，具有與流動(dòng)強(qiáng)耦合而實(shí)現(xiàn)高效“因”控和“源”控的潛力。

2.2 分離流控制[42-43]

流動(dòng)分離現(xiàn)象普遍存在于各種有物面的流動(dòng)中，對于飛行器機(jī)翼流動(dòng)分離，將使阻力大大增加甚至發(fā)生嚴(yán)重失速。機(jī)翼流動(dòng)分離的原因是由于流體在機(jī)翼表面剪切動(dòng)能不斷損失導(dǎo)致的，速度下降到0即開始分離，分離點(diǎn)之后壓降繼續(xù)升高，發(fā)生逆流，擠壓主流離開機(jī)翼表面，形成流動(dòng)分離區(qū)。因此，基于流動(dòng)控制因控論，通過減小物面剪切力或提高附面層流動(dòng)能量可以防止或延緩流動(dòng)分離發(fā)生。

圖12是合成射流/合成雙射流進(jìn)行翼型大迎角分離流控制數(shù)值模擬結(jié)果。合成雙射流與合成射流都可以延緩分離，從而提高升力系數(shù)和失速迎角，其主要控制機(jī)制是合成射流/合成雙射流將附面層低能量流體吸入激勵(lì)器腔體，通過激勵(lì)器振動(dòng)膜快速壓縮后以高能量注入附面層，延緩了流動(dòng)分離；合成雙射流與合成射流相比，失速迎角和最大升力系數(shù)增加量都提高了近一倍，這與合成雙射流能量效率是合成射流的兩倍相一致。

圖12 合成雙射流翼型分離流控制數(shù)值模擬[42]Fig.12 Numerical simulation of separated flow control using dual synthetic jets[42]

圖13是合成雙射流出口位于不同位置時(shí)，對翼型大迎角流動(dòng)分離控制的PIV試驗(yàn)結(jié)果。合成雙射流激勵(lì)器兩射流出口相對分離點(diǎn)的位置是影響控制效果的重要參數(shù)，合成雙射流激勵(lì)器任一出口位于分離點(diǎn)之前，且越靠近分離點(diǎn)，其對邊界層分離的控制效果越好，并且當(dāng)分離點(diǎn)位于合成雙射流激勵(lì)器兩出口之間，且離第一出口位置較近時(shí)，合成雙射流“接力”控制機(jī)翼分離的效果更加明顯；與合成射流“單射流”相比，合成雙射流“兩射流”對分離點(diǎn)位置的有效控制區(qū)域明顯增大。

2.3 射流矢量控制[44,46]

射流矢量控制可以改變射流方向、加速射流展向擴(kuò)散和增強(qiáng)射流摻混，因此可以廣泛應(yīng)用于推力矢量控制、混合增強(qiáng)、熱信號減弱和噪聲抑制等。射流偏轉(zhuǎn)的主要原因是壓強(qiáng)分布的不對稱而引起的[44]。因此，基于流動(dòng)控制因控論，通過控制宏觀主射流的壓強(qiáng)分布即可實(shí)現(xiàn)主射流矢量偏轉(zhuǎn)。

圖14(a)是美國白楊國家實(shí)驗(yàn)室采用兩個(gè)合成射流激勵(lì)器進(jìn)行的宏觀主流矢量控制試驗(yàn)[48]。一個(gè)激勵(lì)器與主流方向平行安裝，該激勵(lì)器工作時(shí)在主射流上側(cè)產(chǎn)生低壓區(qū)，主流向上偏轉(zhuǎn)，激勵(lì)器起到“拉”作用。一個(gè)激勵(lì)器垂直安裝在主流通道內(nèi)，該激勵(lì)器工作時(shí)對主流是一種沖擊作用，在主流下側(cè)產(chǎn)生高壓區(qū)，主流向上偏轉(zhuǎn)，起到“推”作用。

圖13 合成雙射流翼型分離流控制PIV試驗(yàn)[43]Fig.13 PIV experiments of separated flow control using dual synthetic jets[43]

圖14(b)是采用一個(gè)矢量合成雙射流激勵(lì)器對宏觀主流進(jìn)行矢量控制[49]，激勵(lì)器與主流方向平行安裝。由于矢量合成雙射流獨(dú)特的矢量特征，當(dāng)矢量合成雙射流的方向向上時(shí)，其對主流起到“拉”的作用，主流向上偏轉(zhuǎn)；當(dāng)矢量合成雙射流的方向向下時(shí)，其對主流起到“推”的作用，主流向下偏轉(zhuǎn)。采用一個(gè)合成雙射流激勵(lì)器就可以實(shí)現(xiàn)對主流“推”和“拉”的雙重矢量控制功能，因此采用一個(gè)合成雙射流激勵(lì)器就可以完成需要兩個(gè)常規(guī)激勵(lì)器來完成的任務(wù)。

圖14 合成射流/合成雙射流宏觀主射流矢量控制Fig.14 Vectoring control of a primary jet using synthetic jet/dual synthetic jets

2.4 高超聲速/超聲速進(jìn)氣道流場控制[47-48]

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是高超聲速飛行器核心關(guān)鍵技術(shù)，超/高超聲速進(jìn)氣道性能決定了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。美國對超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量地面試驗(yàn)和多次飛行驗(yàn)證試驗(yàn)，2012年美國X-51A第二次飛行試驗(yàn)由于進(jìn)氣道未啟動(dòng)而失敗。高超聲速進(jìn)氣道的性能和起動(dòng)機(jī)理問題是高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，對高超聲速進(jìn)氣道的流場控制也是流動(dòng)控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。超/高超聲速進(jìn)氣道性能優(yōu)劣主要在于其壓縮性能、壓力恢復(fù)性能和起動(dòng)性能，影響這些性能最突出的流動(dòng)現(xiàn)象是進(jìn)氣道內(nèi)激波誘導(dǎo)邊界層流動(dòng)發(fā)生分離。合成雙射流能夠高效控制低速不可壓邊界層分離[43]，且合成雙射流避免了傳統(tǒng)合成射流在超聲速流場中激波導(dǎo)致壓載失效問題[47]。鑒于此，作者提出了基于高超聲速進(jìn)氣道流場特征的自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器及其超/高超聲速流動(dòng)控制方法[39]，對進(jìn)氣道超聲速可壓縮邊界層流動(dòng)分離進(jìn)行控制，以提升超/高超聲速進(jìn)氣道性能。

圖15是自持吸吹式合成雙射流控制超/高超聲速進(jìn)氣道流場數(shù)值模擬結(jié)果[48]。圖15(a)是控制進(jìn)氣道低馬赫數(shù)自起動(dòng)過程，自持吸吹式合成雙射流激勵(lì)器上游口位于再附點(diǎn)位置，下游口位于壓力較低的位置，減弱了再附點(diǎn)處逆壓梯度，穩(wěn)固分離泡再附點(diǎn)位置，減小了分離泡的大小和分離激波強(qiáng)度，降低了進(jìn)氣道自起動(dòng)馬赫數(shù)(降低約0.5Ma)。圖15(b)是自持吸吹式合成雙射流控制高馬赫數(shù)(Ma=7)進(jìn)氣道流場，激勵(lì)器上游口安裝在內(nèi)壓縮段上，下游口安裝在反射激波作用下游附近，利用激波后壓力高，激勵(lì)器從下游口吸入高壓氣體并經(jīng)激勵(lì)器腔體從上游口噴出，一方面平衡了上游低壓減小了逆壓梯度，一方面上游口噴出射流誘導(dǎo)的弱激波作用于反射激波中部，減弱了反射激波的強(qiáng)度進(jìn)而可提高進(jìn)氣道總壓恢復(fù)(提高約10%)。

自持式合成雙射流實(shí)現(xiàn)超/高超聲速流動(dòng)控制，主要是利用流場自身能量“借力打力”，振動(dòng)膜的作用主要對合成射流渦量和頻率控制。

2.5 “超常”熱管理[49-50,54-57]

2.5.1 高超聲速飛行器氣動(dòng)熱“源”控[49-50]

高超聲速飛行器大氣層內(nèi)高馬赫數(shù)長時(shí)間飛行面臨高溫、高速、激波復(fù)雜流動(dòng)干擾等極端條件下的氣動(dòng)熱防熱難題，主要體現(xiàn)在：防熱難度隨馬赫數(shù)指數(shù)增加，局部熱點(diǎn)溫度高且隨飛行動(dòng)態(tài)變化，熱結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)邊界異常苛刻。針對高超聲速氣動(dòng)熱問題，傳統(tǒng)的方法是“防”熱、“導(dǎo)”熱。采用傳統(tǒng)的熱防護(hù)手段只能通過增加防護(hù)層厚度犧牲載荷或者調(diào)整彈道犧牲航程等來滿足熱防護(hù)要求，即便如此，隨著飛行馬赫數(shù)的進(jìn)一步增加，很難滿足大氣層內(nèi)更高馬赫數(shù)長時(shí)間飛行。美軍方公開承認(rèn)HTV-2第二次飛行試驗(yàn)失敗與飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)非正常燒蝕關(guān)系密切。基于因控論思想，突破傳統(tǒng)“防”(“果”控)的思路，結(jié)合高超聲速飛行器氣動(dòng)熱尤其是局部高溫?zé)狳c(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制，提出了氣動(dòng)熱“源”控(“因”控)方法[49]，減少熱的產(chǎn)生，即通過流動(dòng)控制減弱激波強(qiáng)度甚至消除激波，降低由于激波和激波/邊界層相互作用帶來的高溫高熱流問題。

圖15 自持吸吹式合成雙射流進(jìn)氣道流場控制[48]Fig.15 Flow control of hypersonic inlet using a self-sustained suction / blowing synthetic jet actuator[48]

圖16是三電極等離子體高能合成射流控制激波試驗(yàn)流場顯示結(jié)果[50]。結(jié)果顯示，等離子體高能合成射流控制能夠有效減弱甚至消除激波，這為高超聲速飛行器氣動(dòng)熱“源”控奠定了初步基礎(chǔ)。下一步將開展自持式合成雙射流激波控制研究，并對溫度、壓力等參數(shù)的變化進(jìn)行分析。

圖16 等離子體高能合成射流激波控制試驗(yàn)[50]Fig.16 Experimental results of shockwave control using plasma synthetic jet actuator[50]

2.5.2 高效散熱冷卻技術(shù)[54-57]

信息化系統(tǒng)電子器件總功率大幅度增長，物理尺寸越來越小。面臨小空間跨尺度、大功率高熱流極端條件下的散熱瓶頸，迫切需要高性能兼具微小型化的散熱冷卻技術(shù)。合成射流技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化換熱，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、壽命長、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[51-53]。合成射流散熱冷卻技術(shù)被認(rèn)為是解決電子器件散熱問題的重大機(jī)遇。2012年美國通用電氣公司基于合成射流冷卻技術(shù)研制了首個(gè)商品，并申請了合成射流冷卻技術(shù)專利保護(hù)，2016年美國開始將其應(yīng)用于信息化武器裝備。

為突破美國技術(shù)封鎖，基于自主知識產(chǎn)權(quán)合成雙射流激勵(lì)器優(yōu)越的矢量特性和能量效率倍增特性，作者及合作者于2014年提出了合成雙射流散熱冷卻技術(shù)和具有“掃風(fēng)”功能的矢量合成雙射流冷卻技術(shù)，并發(fā)明了無轉(zhuǎn)子矢量合成雙射流散熱裝置[54]。圖17(a)和圖17(b)是相同功耗下合成雙射流與合成射流散熱效果(LED芯片散熱)[55]、散熱面積對比。合成雙射流的散熱冷卻效果和散熱面積都遠(yuǎn)優(yōu)于合成射流，而且矢量合成雙射流具有合成射流所不具有的射流矢量特性，能實(shí)現(xiàn)大面積均勻散熱，如圖17(c)[56]。

(a) 合成雙射流/合成射流/翅片散熱效果對比

(b) 合成雙射流/合成射流散熱面積對比

(c) 合成雙射流散熱均勻性

矢量合成雙射流可實(shí)現(xiàn)大面積、高效、均勻散熱，且射流方向能夠根據(jù)“熱點(diǎn)”位置的變化進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“熱點(diǎn)”去除。鑒于矢量合成雙射流冷卻技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于合成射流冷卻技術(shù)，該技術(shù)引起了高度重視，并作為核心技術(shù)直接支撐了我國某科技創(chuàng)新特區(qū)首批項(xiàng)目需求“小空間高效散熱冷卻技術(shù)”的立項(xiàng)發(fā)布[57]。2.6 防除冰控制[58-59]

防除冰控制是無人機(jī)安全飛行面臨的重要問題之一，現(xiàn)代無人機(jī)亟需發(fā)展輕小型化、高效、低能耗、電控智能防除冰系統(tǒng)，以確保飛行安全。飛機(jī)結(jié)冰主要由于云層或降水中過冷水滴碰到飛機(jī)機(jī)體表面后結(jié)冰形成，或者水汽直接在機(jī)體低溫表面凝結(jié)而成。基于因控論，通過控制過冷水滴水汽運(yùn)動(dòng)減少或者避免其接觸機(jī)體表面從而實(shí)現(xiàn)防冰。鑒于合成熱射流無需流體供應(yīng)和傳輸系統(tǒng)，易于小型化，且具有動(dòng)能和熱能協(xié)同作用等特點(diǎn)，作者提出了無人機(jī)合成熱射流防除冰與氣動(dòng)力控制一體化概念，并進(jìn)行了防冰模擬和除冰原理性試驗(yàn)研究[58-59]。

圖18(a)仿真結(jié)果表明合成熱射流能夠在斜劈表面形成虛擬氣動(dòng)外形，減少表面水滴撞擊量，同時(shí)在表面形成的熱空氣層避免了較大程度的結(jié)冰，具有較好的防冰效果。圖18(b)試驗(yàn)結(jié)果顯示合成熱射流能夠有效除冰，合成熱射流除冰的機(jī)理為“雙重”熱作用，即出口處合成熱射流與冰層的強(qiáng)迫對流換熱與金屬壁面本身的導(dǎo)熱作用。合成熱射流方案與純金屬壁面加熱方案相比，由于合成雙射流能夠促進(jìn)熱能的擴(kuò)散，除冰時(shí)間顯著降低。

(a) 合成熱射流防冰仿真

(b) 合成熱射流除冰原理試驗(yàn)

2.7 水下仿生推進(jìn)[61]

水下螺旋槳推進(jìn)器精細(xì)調(diào)控和操縱相對困難，且聲納特征明顯，難對低速目標(biāo)如對慢速游動(dòng)的生物進(jìn)行跟蹤觀測。合成射流激勵(lì)器依靠壓縮膨脹產(chǎn)生射流，其工作原理與烏賊、水母等生物相似。美國加州理工學(xué)院Thomas等人等將活塞式合成射流用于淺水小型水下航行器的推進(jìn)[60]，合成射流可以對小型球形水下航行器進(jìn)行慢速推進(jìn)。深水高壓環(huán)境下傳統(tǒng)水下合成射流激勵(lì)器的活塞將承受巨大壓載，難以用于深海極端環(huán)境。

鑒于合成雙射流避免了環(huán)境壓載問題，解決了深水高壓條件下振動(dòng)膜無法工作的問題，提出了基于合成雙射流的水下仿生微推進(jìn)技術(shù)[60]。圖19是水下合成雙射流推力隨驅(qū)動(dòng)頻率變化關(guān)系曲線。水下合成雙射流的推力隨著頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，曲線整體呈現(xiàn)為單峰狀且波峰處于30～33Hz左右，該頻率比在空氣環(huán)境下最佳工作頻率低1個(gè)量級；推力隨著驅(qū)動(dòng)電源幅值的增加而增加，且電源幅值的變化不影響推力的頻率變化特性；在相同頻率下，矩形波驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的推力比其余兩種波形產(chǎn)生的推力大，電源波形的變化并不影響推力的頻率變化特性。

(a) 不同驅(qū)動(dòng)電壓幅值

(b) 不同驅(qū)動(dòng)電壓波形

3 結(jié) 論

本文綜述了作者及合作者在合成雙射流及其流動(dòng)控制技術(shù)方面的主要研究進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

1) 從系統(tǒng)論出發(fā)，提出了基于能量綜合利用和氣體增壓原理的合成射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)思想，發(fā)明設(shè)計(jì)了合成雙射流、矢量合成雙射流、合成雙射流基連續(xù)射流、合成熱/冷射流、自持吸吹式合成雙射流等系列化新型合成射流激勵(lì)器。

2) 合成雙射流避免了環(huán)境壓載失效問題，徹底解決了傳統(tǒng)合成射流環(huán)境適應(yīng)性問題，且合成雙射流具有能量效率、可控頻率倍增特性以及環(huán)境低噪聲特性，尤其是還具有傳統(tǒng)合成射流所不具有的矢量功能。

3) 基于合成雙射流優(yōu)越性能和因控論思想，開展了合成雙射流分離流控制、矢量控制、超聲速/高超聲速進(jìn)氣道流場控制、氣動(dòng)熱控制、散熱冷卻、防除冰、水下仿生微推進(jìn)等應(yīng)用方向，驗(yàn)證了合成雙射流與傳統(tǒng)合成射流相比控制效率倍增性以及矢量新功能和環(huán)境適應(yīng)性新功能的優(yōu)越性，極大拓展了合成射流應(yīng)用領(lǐng)域。

致謝:特別感謝北京航空航天大學(xué)鄧學(xué)鎣教授、王晉軍教授、張攀峰教授，北京理工大學(xué)王國玉教授，南京航空航天大學(xué)顧蘊(yùn)松教授，空軍工程大學(xué)李應(yīng)紅院士，中科院工程熱物理研究所徐建中院士等長期以來給予的指導(dǎo)和幫助。

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Research progress of dual synthetic jets and its flow control technology

Luo Zhenbing*, Xia Zhixun, Deng Xiong, Wang Lin, Li Yujie, Ma Yao, Wang Junwei, Peng Lei, Jiang Hao, Yang Shengke, Yang Rui

(CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Active flow control is one of the leading areas of research of many scientists and engineers in aeronautics, astronautics, and fluid mechanics. One of the greatest challenges in making active flow control technology practical and efficient is the development of a high performance synthetic jet with more advantages and functions, but without problem of environmental adaption. This article reviews dual synthetic jets and its flow control technology in National University of Defense Technology. A theory of synthetic jet has been put forward, which based upon principles of pressure increasing and comprehensive utilization of energy. A series of new actuators have been invented, including dual synthetic jets actuator (DSJA), vectoring dual synthetic jets actuator, dual synthetic jets actuator based continuous flow actuator, hot and cold dual synthetic jets actuator, self-support dual synthetic jets actuator and so on. The novelty that the two cavities sharing the same diaphragm makes the DSJA not only resolves the problems of pressure loading of the synthetic jet actuators (SJAs), but also doubles the efficiency and frequency, and especially has a unique thrust-vectoring characteristic that the SJAs haven′t. A cause control theory based on causal logic of flow phenomenon has been proposed. The applications of DSJ on separation flow control, jet vectoring control, hypersonic and supersonic flow control, thermal management, underwater propulsion, anti and deicing.These indicate the DSJA has double control efficiency of SJA and also extend the applications of the synthetic jets to more flow control systems that cannot be implemented by the existing SJAs.

dual synthetic jets; actuator; cause control theory; active flow control; separation flow control; jet vectoring control; hypersonic and supersonic flow control; thermal management

0258-1825(2017)02-0252-13

2017-03-05;

2017-04-08

國家自然科學(xué)基金(11372349，11572349，11602299)

羅振兵*(1979-)，男，湖北黃石人，教授，博導(dǎo)，研究方向：主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù). E-mail：luozhenbing@163.com

羅振兵, 夏智勛, 鄧雄, 等. 合成雙射流及其流動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 35(2): 252-264.

10.7638/kqdlxxb-2017.0053 Luo Z B, Xia Z X, Deng X, et al. Research progress of dual synthetic jets and its flow control technology[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(2): 252-264.

V211.3

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2017.0053