[科普中国]-边界层分离控制-

边界层分离发生的机理边界层分离概述

边界层是一个薄层，它紧靠物面，沿壁面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的流体来说是阻力，所以随着流体沿物面向后流动，边界层内流体流速会减小，压力增加。由于流体流动的连续性，边界层会变厚，以在同一时间内流过更多的低速流体。因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的流体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离之后，它将从紧靠物面的地方抬起进入主流，与主流发生参混，结果是整个参混区域的压力趋于一致。

模型分析现以黏性流体绕过一无限长圆柱体的流动为例，从边界层的形成和变化过程来说明曲面边界层的分离现象。如图所示：

当流体到达A点（驻点）时，流速为零，流体的压力p最大。由于流体是不可压缩的，后继流体质点在A点处，流体高压力作用下，只好将部分压力作用转化为动能，沿圆柱体继续向下游流动。又由于流体黏性作用，沿柱体表面的法线上将建立起速度边界层，且沿流动方向逐渐加厚。

在AB段，外流区域中的势流流动都处于加速减压的状态。由于边界层内各截面上压强近似等于同一截面上边界层外边界上的流体压强，可知边界层内部流体也处于加速减压状态。所减少的压力能，部分用于克服由于黏性流动所产生的摩擦阻力，另外一部分转化为动能，形成加速流。在AB段，压力梯度dp/dx0，称为逆压区。由于压力与黏性阻力的共同作用，流体动能越来越小。当到达C点时，近壁处流体质点的动能已被消耗殆尽，流体质点不能继续向前运动，于是一部分流体质点在C点停滞下来。在C点，流体速度为0，但压力较上游更大。

由于流体是不可压缩，后继流体质点因C点处高压而不可接近，被迫脱离壁面和原来的流向向下游流去。这种边界层脱离壁面的现象称为边界层分离，C点称为分离点。

过C点以后，压力继续增加，在压力差的作用下，除壁上流体质点速度仍处于零外，近壁处的流体质点开始倒退。而后的流体质点在近壁处同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动。这样在C点下游，以CC'线为界，在CC'以内是倒流，以外是向前的主流，两者方向相反。

射流式涡流发生器对边界层分离控制的作用高超声速进气道流动中存在复杂的激波边界层干扰、边界层转捩以及边界层分离等复杂现象，采用流动控制手段可以控制这些流动现象，有效地提高进气道的总压恢复、降低流场畸变、增强启动性能，常用的流动控制手段包括涡流发生器、喷流、抽吸、吹除等等。

射流式涡流发生器是指在超声速边界层中采用和来流成一定方向角度喷射的喷流产生流向漩涡，增强边界层外部流动和近壁流动的动量交换，使得近壁附近的边界层能量增大，从而提高边界层的抗逆压能力，减小分离区。

射流式涡流发生器是一种常用的流动控制方法，为探索其在高超声速进气道流动控制中的应用前景，采用一种混合大涡/雷诺平均 NS 方程模拟方法对单孔射流式涡流发生器对于 Ma3 湍流边界层的控制作用进行了数值模拟研究。计算结果表明：射流式涡流发生器的流场由不对称的射流激波、分离激波、分离区及流向涡对结构组成。射流对于边界层的作用主要包括射流激波的减速作用和流向涡对的掺混作用，使得位于其正方向区域内的分离区增大，反方向范围内的分离区减小。1

斜出口合成射流激励器合成射流技术(Synthetic jet)是国际上近几年提出的一种全新的主动流动控制技术与传统有源射流控制相比，合成射流的产生不需要集中的压力气源、阀门和管道等装置，工作时只需消耗电能驱动激励器内的振动膜，产生脉动压力转变成单方向射流尽管对周围的流体来说，合成射流没有给予额外的质量，但会增加动量，从而引起外界流体的动量变化在1994年，美国佐治亚理工大学的Smith和Glezer等人将零质量射流激励器成功地用于流动控制，并引起了广泛的关注，合成射流激励器的机理及应用研究也逐渐成为热点。

该项技术目前正处于探索与应用基础研究阶段，国外对该技术在分离流动控制、前体涡控制以及射流矢量偏转控制等方面开展了许多实验和数值模拟研究，取得的进展令人鼓舞，但仍有许多机理和应用方面的问题需要进一步研究和探索。国内在这方面的研究起步虽然较早，但相对集中的研究还是近些年的事，还有很大发展空间。开展合成射流激励器工作机理研究和进行边界层分离控制应用研究，不仅有助飞行器的减阻增升，改善飞行性能和飞行品质，甚至可控制流动分离干预飞行器非对称绕流，进而获得更大的气动效益，这对飞行器的后期精细化设计和真实飞行流动实时调控具有重要的应用价值。

李斌斌设计了一斜出口合成射流激励器，应用美国TSI二维非接触粒子图像激光测速技术对出口非定常流场特性进行了研究，得到了该激励器的瞬态和时均流动结机结果表明，倾斜出口下合成射流具有沿壁面的动量输运特性，并对该激励器在边界层分离流动控制中的应用进行了研究，斜出口合成射流激励器可以显著增加边界层底层能量，非常有利于进行边界层分离控。2