Composite drag control and energy flux analysis for wall turbulence
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摘要:
湍流减阻的技术与机理具有重要的科学和工程意义。近年来，研究者对壁湍流的减阻策略和机理开展了多方位探索。本文回顾了摩阻的能流分析框架，该框架将摩阻系数和能量耗散率定量地结合了起来，清晰地给出了驱动能量和控制能量在相干、随机和平均流动中的耗散原理，该框架的分析思路对复杂控制情况仍然适用；介绍了展向对吹射流引发的大尺度环流减阻方法，该方法可有效地完成速度条带的卷并，抑制流向涡的生成，减弱近壁湍流强度，在摩擦雷诺数为180的槽道流中可达到最佳约19%的减阻率，实现了通过输入相干能量减小湍流随机耗散的控制目标；展示了结合大尺度环流和壁面吹吸气的复合控制方法的优势，该方法实现了远超单一控制方法的减阻效果，在摩擦雷诺数为180时达到最佳约33%的减阻率和32%的净能量节省率。在前人研究的基础上，本文检验了在含肋壁面上施加大尺度环流控制的复合方案，验证了大尺度环流控制的鲁棒性，发现壁面小肋能够在一定程度上减小大尺度环流二次涡的影响，从而有效提升壁面小肋的减阻效率。
Abstract:Drag reduction in wall flows is of both fundamental and engineering interest. Here, we review the recent developments in the drag reduction strategy and the underlying mechanism. First, the framework for energy flux analysis of drag control is reviewed, which builds up a quantitative relation between the skin-friction coefficient and the dissipation rate. The framework illustrates how the flux of pumping power and control power is distributed and dissipated by coherent, random, and mean fluid motions, applicable for complex control methods as well. Moreover, a specific large-scale control strategy by spanwise opposed wall-jet forcing is introduced, which reduces near-wall random turbulence intensities by merging velocity streaks together and hence suppressing the generation of streamwise vortices. By injecting control power from coherent motions, the spanwise forcing method achieves a maximum drag reduction rate of approximately 19% in the channel flow at a friction Reynolds number of 180. Furthermore, a composite control method combining large-scale control and opposed wall blowing/suction together, yields approximately 33% drag reduction and 32% net power saving at the same Reynolds number, both higher than that of the individual control method. Finally, we show that applying the large-scale control over riblets, the control efficacy is much higher than that of the riblets alone, hence demonstrating the robustness of the large-scale control method.
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0 引言
反扩散射流火焰(Inverse Diffusion Jet Flame，IDJ)是一种特殊的扩散同轴射流火焰，其燃料和氧化剂分布位置刚好与常规扩散火焰相反，即中心区通氧化剂，燃料分布在外围。这些差异使得反扩散火焰特性和火焰结构有别于常规的扩散火焰。这种火焰结构在工业中有着典型的应用，如一些工业燃烧器和火箭发动机，因而有着重要的学术和工程研究价值[1-2]。此外，航空发动机燃烧室中空气从主燃孔注入是一种反扩散的燃烧形式；燃煤锅炉中二次风进入炉膛也是典型的反扩散燃烧形式[3]，很多研究都围绕其展开[4-7]。
因此，对这种火焰结构进行深入研究，尤其是发展平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技术[8]对其火焰结构进行可视化有着重要的意义。另外，就湍流燃烧基础研究而言，这种火焰结构同时存在扩散燃烧、预混燃烧以及部分预混燃烧等模式，对于研究燃烧化学反应机理、燃烧理论模型也有重要的学术价值。
火焰结构和燃烧过程中间产物分布的精细化显示与测量能够提供丰富的信息，PLIF技术能够获得主要中间产物(如OH、CH以及CH2O)的二维分布，在燃烧学相关研究中一直扮演着重要的角色，其实时、非侵入以及高时空分辨的优点使其一直受到关注。OH自由基分布可以被用来表征火焰的反应区，而CH2O的分布则被用来显示火焰预热区的分布，CH则能显示火焰锋面的发生区域[9]。作为主要的燃烧场诊断技术之一，单组分的OH-PLIF、CH-PLIF已经相对比较成熟，在基础研究领域，特别是基础湍流燃烧实验中发挥着重要作用[10]。同时，在很多工程实际燃烧器中单组分PLIF技术也已经得到广泛应用[11]，耿辉等利用OH-PLIF研究了超声速燃烧的火焰结构[12]，陈爽、苏铁则发展了双色瞬态OH-PLIF测温技术，对超声速燃烧流场进行了二维瞬态温度分布的测量[13]。这些工作都反映了国内PLIF燃烧场诊断技术的研究水平。
多组分同步PLIF瞬态测量则能够呈现火焰多个区域(反应区、预热区)，获得更加丰富的信息。Micka等利用OH/CH2O-PLIF同时成像技术，研究超声速燃烧中火焰自点火反应区和主反应区的结构，结果表明自点火反应能够强化火焰[11]。Zhou等利用OH/CH2O-PLIF同时成像甲烷/空气预混火焰反应区的结构，发现在分布式火焰反应区中CH2O分布变宽且能够出现在整个火焰内侧区域，OH的分布正好与CH2O的分布互斥[14]，为湍流燃烧CFD建模提供了重要依据。可见，发展多组分同步PLIF技术，特别是采用该技术对反扩散射流火焰进行研究，对于发现燃烧现象有着重要意义。目前，国内多组分同步测量的相关研究开展较少，近年来才开始关注多组分同步诊断[15]，与国外在精细程度、分辨率以及可测组分种类等方面尚有较大差距。
本文针对反扩散射流火焰设计了燃烧器，发展了多组分同步PLIF诊断技术，并开展了OH基化学发光成像实验以及多组分瞬态PLIF诊断实验研究。
1 实验设计
1.1 反扩散射流燃烧器
根据反扩散射流火焰的研究需要，设计同轴射流燃烧器如图 1所示：外环为低速的气体燃料通路，直径(内径)为30mm，中心管道为空气通路，内径为4mm；为了研究不同的中心射流雷诺数和流速，设计了2个尺寸的喷嘴可以更换，内径分别为1.6和2mm；喷嘴与外环出口的孔板固定在一起；外管的孔板由一系列轴对称均匀分布的小孔组成，一方面用于防止回火，另一方面可以确保中心喷嘴严格处于外管圆心处。
1.2 OH/CH2O/Acetone-PLIF分析
与常规PLIF系统相比，多组分同步PLIF诊断系统需要集成2套PLIF系统，和双色瞬态PLIF测温系统类似[13]，关键在于不同激光器出射激光的高效合束，并照射同一待测截面，以及合适的激发谱线的选取。
对于OH-PLIF，采用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍频的方式实现对应激发谱线的激光输出；激发谱线选择A-X(0, 1)跃迁的Q1(6)线(波长约为282.6nm)。激发荧光主要位于305~320nm波段的A-X(0, 0)带，因此采用UG11和WG305滤光片阻挡激发激光的散射信号。
而CH2O-PLIF可以选用的激光器类型较多，不如OH那么集中于280~320nm波段。Harrington和Smyth[16]以及Bauerle等人采用XeF激光输出353nm激发A1A2-X1A1带获得荧光信号[17]。Phillps H. Paul则选取201401带(338nm附近)获得了10倍以上的荧光强度[18]，但是这种波长的激光不易获得。本工作中，对于CH2O荧光成像选取A-X电子带，采用355nm激光激发。虽然355nm不在最强的吸收峰位置(351nm)，但是直接采用Nd:YAG激光器三倍频即可获得高能量的脉冲输出，可以大大简化实验系统。由此，本实验采用Nd:YAG激光器及三倍频系统(Quantel，Brilliant B)。
丙酮(Acetone)作为一种大分子物质，具有较宽的光谱吸收范围(225~320nm)，能被一些常用紫外激光所激发，产生可见波段(350~550nm)的荧光信号。特别是该组分具有较高的饱和蒸汽压，比较容易随着流场进入射流中，是燃烧场研究中典型的染料示踪物质。本研究工作构建了Acetone示踪系统，通过在CH4气路中加入一示踪装置，气化的丙酮随着气体进入燃烧器，最终显示CH4的燃烧位置。虽然266nm激发具有更强的荧光信号，但是考虑到系统的复杂性和可靠性，本实验采用了基于OH激发的282nm附近的窄线宽激光进行激发。
1.3 多组分同步PLIF系统实现
实验系统如图 2所示，系统由2套激光器、2部ICCD相机、1组时序控制器以及光学系统构成。利用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍频的方式输出282.6nm紫外激光，对应OH基A-X(0, 1)跃迁的Q1(6)线，脉冲能量为20mJ，脉宽小于10ns。Nd:YAG激光器及三倍频系统(Quantel，Brilliant B)输出355nm激光，脉冲能量大于100mJ，脉宽约为8ns。
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图 2 多组分同步PLIF成像实验系统示意图Fig. 2 Schematic of the experimental setup for simultaneous multi-species PLIF imaging2路不同波长的激光通过双色镜进行合束，其中282.6nm激光在镜面45°入射高反，355nm激光则在镜片上实现高透。合束后的激光经过3片柱面镜组成的光路系统(垂直方向2片，f=-40和400mm，水平方向为f=300mm)形成激光片，工作区域厚度约为0.5mm。2部ICCD相机(PIMAX Ⅰ和PIMAX Ⅱ, 1024pixel×1024pixel)分别置于待测截面两侧，对片光照射平面进行成像，采用325±25mm的带通滤光片实现OH-PLIF成像荧光信号选通，GG385滤光片用于CH2O-PLIF成像则是阻挡激发激光散射。需要说明的是，在进行Acetone-PLIF时，采用可见光镜头，紫外激光散射不能通过，因此没有增加滤光片。经USAF-1951目标板测试，成像分辨率约为100μm。
控制时序由2部DG535实现，如图 3所示, 283与355nm激光间隔约为200ns，做到2路激光相互不干扰。在200ns的时间间隔上流场被“冻结”，可以认为是同一时刻的情况。2个ICCD分别针对探测的荧光信号打开增强器，“Gate”约为100ns，保证荧光信号的独立性。OH/Acetone-PLIF相对简单，单一激光激发，2个ICCD同时曝光，荧光信号纯粹用滤光片隔离。
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图 3 OH/CH2O-PLIF和OH/Acetone-PLIF时序示意图Fig. 3 Synchronization scheme of OH/CH2O-PLIF and OH/Acetone-PLIF2 实验结果与讨论
2.1 火焰基本形貌
本工作中，首先采用化学自发光OH*对火焰形貌进行显示。带通滤光片(320±20nm)置于ICCD相机(PI-MAX2，1024pixel×1024pixel)前，保证只有OH自由基的化学发光(OH* chemiluminescence)能被相机采集，帧频5Hz，单帧曝光时间500μs。空气和CH4气路均采用质量流量计(Bronkhorst)进行控制，具体的流量参数如表 1所示，其中表征火焰湍流度的Re*由公式确定[11]。图 4为对应不同条件下的火焰形貌——100次单帧OH*成像的平均结果。
表 1 不同工况条件下的参数Table 1 Parameters at various cases of IDJ flameCase number Air flow CH4 flow Air velocity CH4 velocity Velocity ratio (Rv) Equivalence ratio (Req) M Re* /(N·m3·min-1) /(N·m3·min-1) /(m·s-1) /(m·s-1) a 0.006 0.002 49.76 0.20 675 2.96 1.13×10-6 5259.812 b 0.007 0.002 58.03 0.20 787.5 2.54 8.33×10-7 6136.241 c 0.008 0.002 66.31 0.20 900 2.22 6.38×10-7 7012.693 d 0.008 0.0025 66.31 0.25 720 2.78 9.97×10-7 7012.975 e 0.008 0.003 66.31 0.30 600 3.33 1.44×10-6 7013.319 f 0.008 0.0035 66.31 0.35 514.29 3.89 1.95×10-6 7013.726 g 0.008 0.004 66.31 0.40 450 4.44 2.55×10-6 7014.196 h 0.008 0.005 66.31 0.50 360 5.55 3.99×10-6 7015.323 i 0.008 0.008 66.31 0.80 225 8.88 1.02×10-5 7020.203 j 0.009 0.002 74.60 0.20 1012.5 1.97 5.04×10-7 7889.162 k 0.01 0.002 82.89 0.20 1125 1.78 4.08×10-7 8765.641 l 0.011 0.002 91.18 0.20 1237.5 1.62 3.37×10-7 9642.129 从OH*图像可以清晰看出IDJ火焰由基础火焰(Base flame)和主火焰(Main flame)2部分构成，我们将明显的分界定义为火焰颈部(Flame neck)。这种火焰形貌是由IDJ火焰的结构造成的，基础火焰为典型的层流扩散燃烧，是由外环低速的CH4气流产生，火焰呈锥形结构，黄色的火焰发光可以判断为典型的扩散燃烧时大量的积碳(Soot)导致。主火焰则是由中心的空气射流产生的湍流火焰，由于高速的空气卷吸未反应的CH4气体，火焰呈蓝色，为典型的部分预混火焰。这种火焰结构中，基础火焰为主火焰提供一个高温环境，起到引导火焰(Pilot)的作用，可以实现高湍流度主火焰的稳定。
此外，对比图 4(a)~(d)以及(j)~(l)不同工况条件下的OH*图像可知，通过改变中心射流空气的速度而维持协流CH4速度不变，主流空气速度大于66.31m/s后会出现本地熄火(Local extinction)，最终发生吹熄(Blow off)。这是由于随着中心射流速度变大，空间中大量的冷空气被卷吸进入，最终不能实现稳焰；此外，锥形的主火焰会逐渐变小，可以理解为中心射流带走了大量的CH4，使得层流扩散散射的基础火焰中发生反应的CH4不断减小，从而火焰锥变小，这符合扩散层流火焰特性。对于图 4(c)~(i)，在不改变中心射流速度的条件下，不断增加协流的速度，可以看出基础火焰形貌保持不变而主火焰高度不断增加。这是由于更多未反应的CH4气体被中心射流空气带到了下游，整体火焰处于富燃状态，依然可以维持燃烧，表现出部分预混火焰的特点。不过通过OH*来研究IDJ火焰的形貌并不能得到更多细致的信息，因此需要对其进行瞬态多组分PLIF测量。
2.2 多组分PLIF瞬态同步测量
为了更好研究反扩散射流火焰的火焰结构，针对典型3个工况(c、f和j)开展了多组分PLIF瞬态同步测量实验。采用OH/Acetone-PLIF得到的OH基与气态Acetone分子荧光瞬时图像如图 5所示，采用OH/CH2O-PLIF得到的OH基与CH2O基的荧光瞬时图像如图 6所示。需要指出的是：图中的色标只是表征荧光信号的强弱，能够用于反应自由基的空间分布，并不能完全对应于绝对的浓度信息；照射流场的片光因为激光器出射光斑的限制，并没有进行归一化校准，在运行中会因为光斑能量分布的不均匀而导致荧光信号强度的差异。
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图 5 工况c/f/j反扩散射流火焰OH/Acetone-PLIF同时测量的瞬态图像Fig. 5 Simultaneous OH/Acetone-PLIF single-shot images measured in inverse diffusion jet flame for cases c, f and j![]()
图 6 工况c/f/j下反扩散射流火焰OH/CH2O-PLIF同时测量的瞬态图像Fig. 6 Simultaneous OH/CH2O-PLIF single-shot images measured in inverse diffusion jet flame for cases c, f and j工况c、f和j分别对应弱湍流燃烧、强湍流燃烧和吹熄(Blow off)3种典型火焰。首先，与图 4测得的OH*显示火焰结构一致，在火焰的底部有一个明显的锥形火焰区即基础火焰(Base flame)，这是一个典型的层流扩散火焰形貌。随着内外流速的比值Rv(Velocity ratio)增大，基础火焰锥不断“塌陷”，高度降低、锥顶角变大；这是因为大量的CH4被中间的空气射流带入了下游，使得构成基础火焰层流扩散燃烧的纯CH4流量减小，最终导致火焰锥高度减小。
从图 5和6中都可以看出，Case c中OH基呈条状分布，且在火焰的外侧，这与OH化学发光显示的结果一致。这是反扩散火焰的特点，与预混以及扩散射流火焰不太一样，存在2个火焰面。当中心射流速度增大，湍流度随之升高，这种条状结构被破坏：内外火焰面出现很多褶皱和卷曲，局部OH分布呈现出不连续分布且变厚，火焰面被严重撕裂。进一步提高中心射流速度，由于更强烈的湍流作用，OH分布变得不再连续，甚至发生熄火。在下游会发生自点火，零星存在一些孤立的OH“岛”。
Acetone代表了燃料CH4在流场中的分布，如图 5所示, 其主要分布在火焰中心，在喷嘴出口中心射流位置空气迅速与协流CH4发生掺混。当Vr(Velocity ratio)较低时(Case c)，燃料被很好地约束在火焰内侧，反应区内燃料被迅速消耗；随着内外流速比值的增大，中心未掺混的纯空气分布区域不断减小，而燃料也穿过被撕裂的反应面向外扩散；当火焰发生吹熄时(Case j)，Acetone消耗较小，向外扩散进一步加剧。
CH2O基作为火焰预热区的重要指示物，存在区域更贴近反应区，所以在射流中心位置没有CH2O存在。在反应发生区域，OH与CH2O在空间呈现互补分布，这从图 6中的Case c可以看出；即使在Vr较大时(Case f)，这种互补也存在，即在OH大量存在的区域，CH2O会表现出一个空白区域；但是在发生吹熄时(Case j)，CH2O仍然会低密度存在，与之前的“互补”特性并不相符，特别是在未发生燃烧的下游区域。这是因为下游的CH2O分布并不是由反应面扩散而来，而是基础火焰产生的大量CH2O被中心射流带到了下游。
从同步PLIF诊断的结果来看，湍流燃烧的main flame中CH2O分布于OH内侧，并不存在典型扩散火焰的2个火焰面结构；其基本形态类似于Sandia发布的部分预混扩散火焰flame D[19]。这可以理解为在Base flame内部由于空气射流的卷吸作用，燃料与空气快速掺混，典型反扩散火焰结构被改变。而整个实验工况中，当量比比较高(>3)，超出了预混可燃极限，所以下游火焰主要呈现了扩散火焰模式。
另外，图 7为Case c(图像最下端距射流出口40mm)某一时刻多组分同步PLIF测量结果的空间叠加细节图，不同颜色代表不同组分(OH为绿色，丙酮为蓝色，CH2O为红色)。可以看出，OH与CH2O有着良好的空间互补特性，CH2O较Acetone更贴近火焰面或反应区；OH与Acetone存在一个“gap”。从细节图可以看出，2种组分还有一些重合的细微区域，这是2台ICCD成像时空间校准所引入的误差，在Y方向估计有1mm的偏移。
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图 7 OH(绿)、丙酮(蓝)和CH2O(红)同时成像表征的火焰结构Fig. 7 The local structures of three simultaneously measured species, OH (green), acetone (blue) and CH2O (red)3 结论
本文建立了OH/CH2O/Acetone多组分同步PLIF实验系统，系统由2套激光器、2部ICCD相机、1组时序控制器以及光学系统构成，对不同组分物质分子有效激发策略、时序控制方法以及双ICCD成像技术进行了分析，最终实现了对火焰反应区、预热区以及燃料分布区域等火焰结构信息的瞬态测量及可视化。并基于该实验系统，对反扩散射流火焰进行了实验研究。通过对比化学发光成像和瞬态多组分PLIF图像，可以看出该火焰形式既不同于传统的预混火焰，也不同于常规的扩散火焰。这种反扩散火焰的燃烧器设计在低速时具有较为典型的反扩散结构，在中心空气射流较大的情况下却更多表现为部分预混的扩散火焰，类似于Sandia实验室发布的flame D的情况。研究结果表明，较之OH*的化学发光成像，多组分PLIF结构更能准确认识火焰的基本形态和燃烧模式，在基础燃烧和工业研究中都具有重要的应用价值。
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