邊界層分離控制

高超聲速進(jìn)氣道流動(dòng)中存在復(fù)雜的激波邊界層干擾、邊界層轉(zhuǎn)捩以及邊界層分離等復(fù)雜現(xiàn)象，采用流動(dòng)控制手段可以控制這些流動(dòng)現(xiàn)象，有效地提高進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)、降低流場畸變、增強(qiáng)啟動(dòng)性能，常用的流動(dòng)控制手段包括渦流發(fā)生器、噴流、抽吸、吹除等等。

射流式渦流發(fā)生器是指在超聲速邊界層中采用和來流成一定方向角度噴射的噴流產(chǎn)生流向漩渦，增強(qiáng)邊界層外部流動(dòng)和近壁流動(dòng)的動(dòng)量交換，使得近壁附近的邊界層能量增大，從而提高邊界層的抗逆壓能力，減小分離區(qū)。

射流式渦流發(fā)生器是一種常用的流動(dòng)控制方法，為探索其在高超聲速進(jìn)氣道流動(dòng)控制中的應(yīng)用前景，采用一種混合大渦/雷諾平均 NS 方程模擬方法對單孔射流式渦流發(fā)生器對于 Ma3 湍流邊界層的控制作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。計(jì)算結(jié)果表明:射流式渦流發(fā)生器的流場由不對稱的射流激波、分離激波、分離區(qū)及流向渦對結(jié)構(gòu)組成。射流對于邊界層的作用主要包括射流激波的減速作用和流向渦對的摻混作用，使得位于其正方向區(qū)域內(nèi)的分離區(qū)增大，反方向范圍內(nèi)的分離區(qū)減小。

合成射流技術(shù)(Synthetic jet)是國際上近幾年提出的一種全新的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)與傳統(tǒng)有源射流控制相比，合成射流的產(chǎn)生不需要集中的壓力氣源、閥門和管道等裝置，工作時(shí)只需消耗電能驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器內(nèi)的振動(dòng)膜，產(chǎn)生脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)變成單方向射流盡管對周圍的流體來說，合成射流沒有給予額外的質(zhì)量，但會(huì)增加動(dòng)量，從而引起外界流體的動(dòng)量變化在1994年，美國佐治亞理工大學(xué)的Smith和Glezer等人將零質(zhì)量射流激勵(lì)器成功地用于流動(dòng)控制，并引起了廣泛的關(guān)注，合成射流激勵(lì)器的機(jī)理及應(yīng)用研究也逐漸成為熱點(diǎn)。

該項(xiàng)技術(shù)目前正處于探索與應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，國外對該技術(shù)在分離流動(dòng)控制、前體渦控制以及射流矢量偏轉(zhuǎn)控制等方面開展了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，取得的進(jìn)展令人鼓舞，但仍有許多機(jī)理和應(yīng)用方面的問題需要進(jìn)一步研究和探索。國內(nèi)在這方面的研究起步雖然較早，但相對集中的研究還是近些年的事，還有很大發(fā)展空間。開展合成射流激勵(lì)器工作機(jī)理研究和進(jìn)行邊界層分離控制應(yīng)用研究，不僅有助飛行器的減阻增升，改善飛行性能和飛行品質(zhì)，甚至可控制流動(dòng)分離干預(yù)飛行器非對稱繞流，進(jìn)而獲得更大的氣動(dòng)效益，這對飛行器的后期精細(xì)化設(shè)計(jì)和真實(shí)飛行流動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

李斌斌設(shè)計(jì)了一斜出口合成射流激勵(lì)器，應(yīng)用美國TSI二維非接觸粒子圖像激光測速技術(shù)對出口非定常流場特性進(jìn)行了研究，得到了該激勵(lì)器的瞬態(tài)和時(shí)均流動(dòng)結(jié)機(jī)結(jié)果表明，傾斜出口下合成射流具有沿壁面的動(dòng)量輸運(yùn)特性，并對該激勵(lì)器在邊界層分離流動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，斜出口合成射流激勵(lì)器可以顯著增加邊界層底層能量，非常有利于進(jìn)行邊界層分離控。

邊界層是一個(gè)薄層，它緊靠物面，沿壁面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動(dòng)區(qū)域。粘性應(yīng)力對邊界層的流體來說是阻力，所以隨著流體沿物面向后流動(dòng)，邊界層內(nèi)流體流速會(huì)減小，壓力增加。由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，邊界層會(huì)變厚，以在同一時(shí)間內(nèi)流過更多的低速流體。因此邊界層內(nèi)存在著逆壓梯度，流動(dòng)在逆壓梯度作用下，會(huì)進(jìn)一步減速，最后整個(gè)邊界層內(nèi)的流體的動(dòng)能都不足以長久的維持流動(dòng)一直向下游進(jìn)行，以致在物體表面某處其速度會(huì)與勢流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會(huì)把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離之后，它將從緊靠物面的地方抬起進(jìn)入主流，與主流發(fā)生參混，結(jié)果是整個(gè)參混區(qū)域的壓力趨于一致。

現(xiàn)以黏性流體繞過一無限長圓柱體的流動(dòng)為例，從邊界層的形成和變化過程來說明曲面邊界層的分離現(xiàn)象。如圖所示:

當(dāng)流體到達(dá)A點(diǎn)(駐點(diǎn))時(shí)，流速為零，流體的壓力p最大。由于流體是不可壓縮的，后繼流體質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)處，流體高壓力作用下，只好將部分壓力作用轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沿圓柱體繼續(xù)向下游流動(dòng)。又由于流體黏性作用，沿柱體表面的法線上將建立起速度邊界層，且沿流動(dòng)方向逐漸加厚。

在AB段，外流區(qū)域中的勢流流動(dòng)都處于加速減壓的狀態(tài)。由于邊界層內(nèi)各截面上壓強(qiáng)近似等于同一截面上邊界層外邊界上的流體壓強(qiáng)，可知邊界層內(nèi)部流體也處于加速減壓狀態(tài)。所減少的壓力能，部分用于克服由于黏性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦阻力，另外一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成加速流。在AB段，壓力梯度dp/dx<0，稱為順壓區(qū)。

當(dāng)流體到達(dá)圓柱體最高點(diǎn)B時(shí)，速度達(dá)到最大，壓力最小。 B點(diǎn)之后，外部勢流及邊界層內(nèi)的流動(dòng)均處于減速加壓的狀態(tài)下，壓力遞增，流速遞減，dp/dx>0，稱為逆壓區(qū)。由于壓力與黏性阻力的共同作用，流體動(dòng)能越來越小。當(dāng)?shù)竭_(dá)C點(diǎn)時(shí)，近壁處流體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能已被消耗殆盡，流體質(zhì)點(diǎn)不能繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是一部分流體質(zhì)點(diǎn)在C點(diǎn)停滯下來。在C點(diǎn)，流體速度為0，但壓力較上游更大。

由于流體是不可壓縮，后繼流體質(zhì)點(diǎn)因C點(diǎn)處高壓而不可接近，被迫脫離壁面和原來的流向向下游流去。這種邊界層脫離壁面的現(xiàn)象稱為邊界層分離，C點(diǎn)稱為分離點(diǎn)。

過C點(diǎn)以后，壓力繼續(xù)增加，在壓力差的作用下，除壁上流體質(zhì)點(diǎn)速度仍處于零外，近壁處的流體質(zhì)點(diǎn)開始倒退。而后的流體質(zhì)點(diǎn)在近壁處同樣被迫停滯和倒退，以致越來越多被阻滯的流體短時(shí)間內(nèi)在圓柱體表面和主流之間堆積起來，使邊界層劇烈增厚，邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)的倒流迅速擴(kuò)展，而邊界層外的主流繼續(xù)向前流動(dòng)。這樣在C點(diǎn)下游，以CC'線為界，在CC'以內(nèi)是倒流，以外是向前的主流，兩者方向相反。

油氣兩相分離器

油氣兩相分離器將油氣混合物來液分離成單一相態(tài)的原油和天然氣，壓力由天然氣出口處的壓力控制閥控制，液面由控制器控制的出油閥調(diào)節(jié)。

天然氣出口處的壓力控制閥通常是自力式調(diào)節(jié)閥或配套壓力變送器、控制器、氣源的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥等。出油閥通常為配套液位傳感器、控制器、氣源的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥或浮子液面調(diào)節(jié)器操縱的出油調(diào)節(jié)閥等。

有的油氣兩相分離器是用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制分離器的壓力，用浮子液面調(diào)節(jié)器操縱出油閥控制分離器液面。

油氣水三相分離器

油氣水三相分離器在油井產(chǎn)物進(jìn)行氣液分離的同時(shí)，還能將原油中的部分水分離出來。 隨著油田的開發(fā)，油井產(chǎn)出液的含水量逐漸增多，三相分離器的應(yīng)用也逐漸增多。結(jié)構(gòu)不同，三相分離器的控制方法也不同。兩種典型分離器的控制原理如下:

(1)油氣水混合物進(jìn)入分離器后，進(jìn)口分流器把混合物大致分成汽液兩相，液相進(jìn)入集液部分。集液部分有足夠的體積使自由水沉降至底部形成水層，其上是原油和含有較小水滴的乳狀油層。原油和乳狀油從擋板上面溢出。擋板下游的油面由液面控制器操縱出油閥控制于恒定的高度。水從擋板上游的出水口排出，油水界面控制器操縱排水閥的開度，使油水界面保持在規(guī)定的高度。分離器的壓力由設(shè)在天然氣管線上的閥門控制。

(2)分離器內(nèi)設(shè)有油池和擋水板。原油自擋油板溢流至油池，油池中油面由液面控制器操縱的出油閥控制。水從油池下面流過，經(jīng)擋水板流入水室，水室的液面由液面控制器操縱的出水閥控制。(二)傳統(tǒng)分離器液位和壓力控制中存在的問題 分離器定壓控制中，天然氣管線上的壓力控制閥對天然氣進(jìn)行一定程度的節(jié)流，以保證分離器內(nèi)壓力的穩(wěn)定。氣量減小或者氣出口處壓力降低時(shí)，閥門節(jié)流程度增加;反之，閥門節(jié)流程度減小。 分離器液面控制中，油水出口閥門也對液體進(jìn)行節(jié)流。液量增大時(shí)，節(jié)流程度減小;液量小時(shí)，節(jié)流程度加強(qiáng)，以使液面保持穩(wěn)定。

為保證液量較大的情況下能夠正常排液，分離器具有較高的壓力。但是在液量減小時(shí)，必須通過油水出口閥對液體節(jié)流，使液面不至于降低。因此生產(chǎn)中，分離器一般在較高的壓力下工作，液相閥門處于節(jié)流狀態(tài)。

分離器壓力過高影響分離器的進(jìn)液，使中轉(zhuǎn)站或計(jì)量站的輸出口以及井口回壓增高，不利于輸油。我國的油井多為機(jī)械采油，井口回壓升高，增加了采油的能源消耗。此外，在較高壓力下油中含有的飽和溶解氣，在出油閥節(jié)流后，壓力下降時(shí)，從油中分離出來，易使下游流程中的油泵產(chǎn)生氣濁。因此較高的分離器壓力不但影響油氣的分離效率，增加生產(chǎn)能耗，而且影響安全生產(chǎn)。