超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29396

临近空间技术

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性

曾繁宇¹, 邱云龙²(), 曹占伟³^,⁴, 张伦¹, 陈伟芳¹

^1.浙江大学航空航天学院，杭州 310027
^2.浣江实验室先进飞行器研究中心，绍兴 311800
^3.中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京 100076
^4.西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

收稿日期:2023-08-01 修回日期:2023-08-03 接受日期:2023-08-18 出版日期:2023-08-25 发布日期:2023-08-24
通讯作者: 邱云龙 E-mail:qyl1992@zju.edu.cn
基金资助:
浣江实验室专项项目(HJ-2023-06)

Flow control and drag reduction characteristics of micro-blowing array on supersonic turbulent boundary layer

Fanyu ZENG¹, Yunlong QIU²(), Zhanwei CAO³^,⁴, Lun ZHANG¹, Weifang CHEN¹

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China
^2.Advanced Aircraft Research Center，Huanjiang Laboratory，Shaoxing 311800，China
^3.Science and Technology on Space Physics Laboratory，China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China
^4.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Received:2023-08-01 Revised:2023-08-03 Accepted:2023-08-18 Online:2023-08-25 Published:2023-08-24
Contact: Yunlong QIU E-mail:qyl1992@zju.edu.cn
Supported by:
Specialized Research Projects of Huanjiang Laboratory(HJ-2023-06)

摘要/Abstract

摘要：

采用直接数值模拟（DNS）技术研究了方形微孔阵列微吹气对超声速湍流边界层的流动控制机制与减阻特性。横纵向数量为88×6的0.3 mm×0.3 mm微孔阵列布置在平板完全发展的湍流区域，多孔区域的横纵向中心距均为0.6 mm，孔隙率为25%。微吹气振幅分别为来流速度的0.2%（B1）、0.4%（B2）、0.6%（B3）。计算结果表明，微吹气技术能够降低超声速湍流边界层的表面摩阻，在0.6%的吹气振幅下多孔区域的总阻力减小了23%，且减阻率随微吹气振幅提高近似线性增长。湍动能平衡方程分析结果表明，在施加吹气控制后湍动能平衡方程所有源项均得到了增强。微吹气技术促进了近壁区的能级串联过程，破坏了原有的湍流边界层中速度条带结构和准流向涡间存在的自维持机制。边界层速度脉动的象限分析表明，微吹气技术的减阻效果体现在其对近壁区下扫过程的抑制作用。

关键词: 微吹气, 方形微孔阵列, 湍流边界层, 减阻, 湍流拟序结构

Abstract:

Direct Numerical Simulations （DNS） are used to study the flow control mechanism and drag reduction characteristics of square micropores array micro-blowing on supersonic turbulent boundary layer. The 0.3 mm × 0.3 mm micropores array with a horizontal and longitudinal number of 88×6 is arranged in the spatially developing turbulent region. The horizontal and longitudinal center distance of porous region is 0.6 mm， and the porosity is 25%. The amplitudes of micro-blowing array are 0.2% （B1）， 0.4% （B2） and 0.6% （B3） of the freestream velocity， respectively. The calculation results show that the micro-blowing technology can reduce surface friction on supersonic turbulent boundary layer. The total friction of porous region is reduced by 23% at the blowing amplitude of 0.6%， and the drag reduction rate approximately exhibits a linear increase with the increase of micro-blowing amplitude. The results of the turbulent kinetic energy equilibrium analysis show that all source terms of the turbulent kinetic energy equilibrium equation are enhanced after blowing control is applied. The micro-blowing technology promotes the energy cascade process in the near-wall region， and destroys the self-sustaining mechanism between velocity streaks and quasi-streamwise vortices within the original turbulent boundary layer. The quadrant analysis of velocity pulsation on boundary layer shows that the drag reduction of the micro-blowing technique comes from its inhibitory effect on the downward sweeping process in the near-wall region.

Key words: micro-blowing, square micropores array, turbulent boundary layer, drag reduction, turbulent coherent structure

中图分类号:

V211.3

曾繁宇, 邱云龙, 曹占伟, 张伦, 陈伟芳. 超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729396-729396.

Fanyu ZENG, Yunlong QIU, Zhanwei CAO, Lun ZHANG, Weifang CHEN. Flow control and drag reduction characteristics of micro-blowing array on supersonic turbulent boundary layer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729396-729396.

图/表 15

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

参考文献 37

1	RICCO P， SKOTE M， LESCHZINER M A. A review of turbulent skin-friction drag reduction by near-wall transverse forcing［DB/OL］. arXiv preprint： 2103.04719， 2021
2	KORNILOV V. Current state and prospects of researches on the control of turbulent boundary layer by air blowing［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2015， 76： 1-23.
3	CORKE THOMAS C， THOMAS FLINT O. Active and passive turbulent boundary-layer drag reduction［J］. AIAA Journal， 2018， 56（10）： 3835-3847.
4	WALSH M J. Riblets as a viscous drag reduction technique［J］. AIAA Journal， 2012， 21（4）： 485-486.
5	LI W P. Turbulence statistics of flow over a drag-reducing and a drag-increasing riblet-mounted surface［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 104： 106003.
6	WANG L H， HUANG W X， XU C X， et al. Relationship between wall shear stresses and streamwise vortices［J］. Applied Mathematics and Mechanics， 2019， 40（3）： 381-396.
7	FUKAGATA K， KERN S， CHATELAIN P， et al. Evolutionary optimization of an anisotropic compliant surface for turbulent friction drag reduction［J］. Journal of Turbulence， 2008， 9： N35.
8	YAO J E， CHEN X， HUSSAIN F. Drag control in wall-bounded turbulent flows via spanwise opposed wall-jet forcing［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2018， 852： 678-709.
9	CHENG X Q， WONG C W， HUSSAIN F， et al. Flat plate drag reduction using plasma-generated streamwise vortices［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2021， 918： A24.
10	白建侠，姜楠，唐湛棋，等. 双压电振子异步振动主动调制湍流边界层流向涡减阻［J］. 航空动力学报， 2019， 34（12）： 2539-2548.
	BAI J X， JIANG N， TANG Z Q， et al. Active modulation to streamwise vortex drag reduction of turbulent boundary layer by asynchronous vibration with double piezoelectric vibrator［J］. Journal of Aerospace Power， 2019， 34（12）： 2539-2548 （in Chinese）.
11	JI S C， ZHANG B， LI J A， et al. Numerical study for active flow control using dielectric barrier discharge actuators［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2017， 30（5）： 04017050.
12	KAMETANI Y， FUKAGATA K. Direct numerical simulation of spatially developing turbulent boundary layers with uniform blowing or suction［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2011， 681： 154-172.
13	MA R， GAO Z H， LU L S， et al. Skin-friction drag reduction by local porous uniform blowing in spatially developing compressible turbulent boundary layers［J］. Physics of Fluids， 2022， 34： 125130.
14	LIU Q A， LUO Z B， WANG L， et al. Direct numerical simulations of supersonic turbulent boundary layer with streamwise-striped wall blowing［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 110： 106510.
15	KAMETANI Y， FUKAGATA K， ÖRLÜ R， et al. Drag reduction in spatially developing turbulent boundary layers by spatially intermittent blowing at constant mass-flux［J］. Journal of Turbulence， 2016， 17（10）： 913-929.
16	Kim K， Sung H J. DNS of turbulent boundary layer with time-periodic blowing through a spanwise slot［C］∥Proceedings of the Asian Computational Fluid Dynamics Conference （5th）. Busan， 2003： 835-842.
17	KIM K， SUNG H J. Effects of periodic blowing from spanwise slot on a turbulent boundary layer［J］. AIAA Journal， 2003， 41（10）： 1916-1924.
18	KIM K， JIN SUNG H. Effects of unsteady blowing through a spanwise slot on a turbulent boundary layer［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2006， 557： 423.
19	CHENG X Q， QIAO Z X， ZHANG X， et al. Skin-friction reduction using periodic blowing through streamwise slits［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2021， 920： A50.
20	ZHANG X， WONG C W， CHENG X Q， et al. Dependence of skin-friction reduction on the geometric parameters of blowing jet array［J］. Physics of Fluids， 2022， 34（10）： 105125.
21	HWANG D， BIESIADNY T. Experimental evaluation of penalty associated with micro-blowing for reducing skin friction［C］∥Proceedings of the 36th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 1998： AIAA1998-677.
22	HWANG D. Review of research into the concept of the microblowing technique for turbulent skin friction reduction［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2005， 40（8）： 559-575.
23	HWANG D. An experimental study of turbulent skin friction reduction in supersonic flow using a microblowing technique［C］∥Proceedings of the 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2000： AIAA2000-545.
24	KORNILOV V I， BOIKO A V. Efficiency of air microblowing through microperforated wall for flat plate drag reduction［J］. AIAA Journal， 2012， 50（3）： 724-732.
25	范云涛，张阳，叶志贤，等. 微吹气对湍流平板边界层流动特性的影响及其减阻机理［J］. 航空学报， 2020， 41（10）： 123814.
	FAN Y T， ZHANG Y， YE Z X， et al. Micro-blowing： Effect on flow characteristics in turbulent flat plate boundary layer and drag reduction mechanism［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（10）： 123814 （in Chinese）.
26	PIROZZOLI S， GRASSO F， GATSKI T B. Direct numerical simulation and analysis of a spatially evolving supersonic turbulent boundary layer at M=2.25［J］. Physics of Fluids， 2004， 16（3）： 530-545.
27	LI X L， FU D X， MA Y W， et al. Acoustic calculation for supersonic turbulent boundary layer flow［J］. Chinese Physics Letters， 2009， 26（9）： 094701.
28	傅德薰，马延文，李新亮. 可压缩湍流直接数值模拟［M］. 北京：科学出版社， 2010.
	FU D X， MA Y W， LI X L. Direct numerical simulation of compressible turbulence［M］. Beijing： Science Press， 2010 （in Chinese）.
29	WHITE F M. Viscous fluid flow［M］. New York： McGraw-Hill， 1974.
30	WU X H， MOIN P. Transitional and turbulent boundary layer with heat transfer［J］. Physics of Fluids， 2010， 22（8）： 085105.
31	Spalart P R. Direct simulation of a turbulent boundary layer up to Re_θ =1410［J］. Journal Fluid Mechanics， 1988， 187： 61.
32	KAMETANI Y， KOTAKE A， FUKAGATA K， et al. Drag reduction capability of uniform blowing in supersonic wall-bounded turbulent flows［J］. Physical Review Fluids， 2017， 2（12）： 123904.
33	CHOI H， MOIN P， KIM J. Active turbulence control for drag reduction in wall-bounded flows［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1994， 262： 75-110.
34	XU C X， DENG B Q， HUANG W X， et al. Coherent structures in wall turbulence and mechanism for drag reduction control［J］. Science China Physics， Mechanics and Astronomy， 2013， 56（6）： 1053-1061.
35	XU C. Coherent structures and drag-reduction mechanism in wall turbulence［J］. Advances in Mechanics， 2015， 45： 111-140.
36	JIMÉNEZ J， PINELLI A. The autonomous cycle of near-wall turbulence［J］. Journal of Fluid Mechanics， 1999， 389： 335-359.
37	LI W P， FAN Y T， MODESTI D， et al. Decomposition of the mean skin-friction drag in compressible turbulent channel flows［J］. Journal of Fluid Mechanics， 2019， 875： 101-123.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	高世琦, 丁博, 解旭祯, 李铮, 陈林, 钱首元, 焦子涵, 白光辉. 等离子体激励在高速流动中的减阻机制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729373-729373.
[2]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[3]	曾品棚, 陈树生, 李金平, 贾苜梁, 高正红. 减阻杆与环形喷流组合构型钝头降热数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 128407-128407.
[4]	樊宇翔, 赵瑞, 左政玄, 杨光, 李宇. 气体引射效应对壁面热流和摩擦阻力的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528587-528587.
[5]	丁玉临, 韩忠华, 乔建领, 聂晗, 宋文萍, 宋笔锋. 超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 626310-626310.
[6]	郭晓东, 周超英, 万书翱. 矩形脉冲射流对长穿透模态减阻降热的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 127967-127967.
[7]	朱广生, 姚世勇, 段毅. 高速飞行器减阻降热流动控制技术研究进展及工程应用[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 529049-529049.
[8]	李峻洋, 刘朋欣, 余明, 孙东, 董思卫, 袁先旭. 高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528963-528963.
[9]	刘晓东, 刘朋欣, 李辰, 孙东, 袁先旭. 高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127832-127832.
[10]	冯雅婷, 张辉. 基于车尾风能回收的气动减阻装置[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 180-191.
[11]	张旭东, 李铮, 董昊, 高思源, 纪祖赑, 黎凯昕, 白光辉. 高超声速流场等离子体逆向喷流减阻特性[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 115-123.
[12]	程剑锐, 施崇广, 瞿丽霞, 徐悦, 尤延铖, 朱呈祥. 二维弯曲激波/湍流边界层干扰流动理论建模[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 125993-125993.
[13]	李珺, 王俊峰, 赵雅甜, 罗世彬. 面向非设计工况的激波针-喷流复合构型研究[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 125949-125949.
[14]	韩路阳, 王斌, 蒲亮, 陈青, 郑海滨. 能量沉积减阻技术机理及相关问题研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 26032-026032.
[15]	刘强, 涂国华, 罗振兵, 陈坚强, 赵瑞, 袁先旭. 延迟高超声速边界层转捩技术研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 25357-025357.

超声速湍流边界层阵列式微吹气流动控制与减阻特性

Flow control and drag reduction characteristics of micro-blowing array on supersonic turbulent boundary layer

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 37

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价