不同腔室有效长度下流体振荡器的流动特性及其在主动流动控制中的应用

本研究针对流体振荡器在主动流动控制中频率与动量耦合的优化难题，通过三维非定常计算与实验测量，首次系统探究了10 mm喉径弯曲流体振荡器在不同腔室有效长度(Leff)下的流动特性。研究发现：Leff改变会导致射流频率非线性变化（最大差异达68%），其机制涉及分离涡减弱和射流附着点偏移；当Leff增加超过2×Dt（喉宽）时，射流速度与频率呈现指数畸变关系，而减少超过0.5×Dt则可能引发振荡射流向稳态射流的突变。该研究为流体振荡器内部几何参数独立调控提供了关键依据，对飞行器减阻、高速列车尾流控制等工程应用具有重要指导意义。

　　

在工程领域，如何实现高效主动流动控制一直是研究者们追逐的目标。传统方法往往依赖复杂机械部件，而流体振荡器（fluidic oscillator）因其无移动部件却能产生稳定振荡射流的特性脱颖而出。这种被称为"扫掠射流"（sweeping jet）的技术，在飞机机翼边界层控制、高速列车尾流调节等领域展现出惊人潜力。然而，一个关键瓶颈始终存在：射流动量与振荡频率的耦合关系限制了控制效率的进一步提升。当工程师们试图通过改变供气速率来调节频率时，射流动量会同步变化，这种"牵一发而动全身"的特性使得优化控制策略变得异常困难。

针对这一挑战，中南大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表了一项突破性研究。他们创新性地选择混合腔有效长度（L_eff）作为独立变量，通过三维非定常RANS计算结合SST k-ω湍流模型，配合热线风速仪实验测量，系统探究了10 mm喉径弯曲流体振荡器的流动特性。研究首次揭示了有效长度改变引发频率非线性变化的双重机制，为解耦射流动量与频率提供了全新思路。

研究方法
研究采用数值模拟与实验验证相结合的策略。基于Stouffer和Bower专利设计的弯曲流体振荡器，保持喉宽D_t=10 mm不变，通过改变Ps到Pe点的直线壁面距离调节L_eff（-1.5×D_t至+3.0×D_t）。数值模拟采用压力基求解器，入口设为质量流量边界条件，出口为环境压力边界，时间步长确保每周期80个数据点。实验采用恒温热线风速仪在喷嘴下游5 mm处采集速度信号，通过快速傅里叶变换获取频率特性。

Sweeping jet总体性能
研究发现L_eff改变可使频率产生高达68%的变异。当L_eff增加超过2×D_t时，射流体积速度与频率的关系偏离线性，呈现指数畸变特性；而L_eff减少超过0.5×D_t时，射流可能完全失去振荡特性。特别值得注意的是，在L_eff/D_t=1.25时出现最优频率响应，此时St_jet数达到最小值0.014，表明能量转换效率最高。

流动机理分析
研究揭示了两个关键机制：一是分离涡强度随L_eff增大而减弱，导致反馈通道压力波动幅度降低；二是射流附着点位置偏移，当L_eff过小时，射流无法有效附着于腔室壁面，破坏了Coanda效应（流体沿曲面流动的倾向）的维持条件。计算显示，标准工况下分离涡占据腔室体积的23%，而当L_eff增至+3.0×D_t时，该比例降至11%，直接导致振荡驱动力减弱。

研究结论与意义
该研究首次系统阐明了有效长度对流体振荡器性能的调控规律：1）L_eff改变可独立调节频率而不影响其他几何参数，为解决动量-频率耦合难题提供了新途径；2）发现非线性变化临界点（+2×D_t和-0.5×D_t），为优化设计划定安全边界；3）揭示分离涡体积与附着点位置的双重调控机制，深化了对振荡产生机理的认知。这些发现对飞行器减阻、高速列车尾流控制等需要精确匹配流动特征频率的工程场景具有重要指导价值，为下一代智能流动控制器的设计奠定了理论基础。

研究还指出，未来可结合L_eff与其他参数（如反馈通道形状）的协同优化，进一步拓展频率调节范围。该成果的独特价值在于，首次实现了通过单一几何参数独立调控振荡特性，避免了传统多参数联动带来的设计复杂性，为流体振荡器的模块化、标准化设计开辟了新方向。