不同压力梯度下多孔介质壁湍流的减阻特性研究
民航飞行器的表面摩擦阻力约占巡航条件下飞行总阻力的一半，过大的表面摩擦阻力会增加飞行器的燃油消耗量，造成飞行器运行成本过高，并会加重环境污染。研究发现，利用流动控制技术可以有效降低飞行器的表面摩擦阻力，改善表面流动，减少燃油消耗并获得更高的经济效益。而多孔介质作为一种简单的、有效的被动控制方法成为了近年来的一个研究热点。本文通过在不同压力梯度流动条件下开展实验，验证了多孔介质减阻效果的有效性并结合流场探究了多孔介质减阻机理。 为了研究多孔介质的减阻控制效果，本文利用热线风速仪测速技术，测量了在不同压力梯度下多孔介质下游两个流向测点位置的速度分布，分析了有、无控制时边界层内的湍流统计量变化以及湍流猝发事件。研究发现：①在不同压力梯度下，多孔介质降低了近壁面的速度梯度，提升了对数区斜率，减阻效果沿着流向降低，随着孔密度的增大而减小。②不同压力下减阻效果不同，在顺压力梯度下，多孔介质的减阻效果最大，10PPI的多孔介质局部减阻效果达到了43.7%。③由统计分析结果表明：多孔介质作用下，近壁面附近的偏斜因子、平坦因子增大，这表明壁面的流向涡结构与壁面距离被抬升，减轻了壁面涡结构对于壁面的直接作用，壁面附近的大尺度涡结构被破坏，小尺度结构增加。④湍流猝发检测结果表明，壁面附近湍流猝发的强度降低，壁面的摩擦阻力减少； 为了研究多孔介质的减阻机理，通过TR-PIV流动可视化实验测量了无控、有控时的壁面流场，获得了壁面的时均速度、展向涡以及速度条带结构。结果表明：①在不同的来流压力梯度下，多孔介质使得壁面的边界层变厚，粘性底层的厚度增加。②通过λci涡结构辨识准则获得的壁面展向涡结构可以看出，多孔介质对流场施加的扰动可以使得壁面流场发生显著变化，改变了壁面的速度条带结构。具体来看：零压力梯度下，壁面的展向涡结构增多，出现较多的逆向涡结构，降低壁面附近的速度梯度，同时速度条带结构被拓宽，且流向更稳定；顺压力梯度下，原有的高低速相间的条带结构被破坏，高速条带基本消失，低速条带沿流向距离缩短，同时，近壁面的展向涡结构上抬，使得壁面的涡结构被抬升，产生了较大的减阻效果；逆压力梯度下，壁面的涡结构整体抬升，速度条带区域模糊，同样导致了壁面摩擦阻力的降低。
民航飞行器;多孔介质;近壁面湍流;减阻特性;压力变化
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
李秋实;杜海
2022
中文
V212
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）