1996年，Parekh等[11]首次采用了一对反对称工作的激励器控制马赫数Ma=0.58的喷流。研究发现存在最佳激励频率使得喷流混合效果最佳。同时使用纹影技术对流场进行显示，发现在这种激励模式时，喷流产生了拍动。New和Tay[12]在低雷诺数(Re=1 000, 2 000, 2 400)层流圆柱射流出口注入横向稳态射流，采用PIV和PLIF的方法研究流场中涡结构的变化。研究发现，稳态射流的注入使得大尺度展向涡环产生位置提前，随着稳态射流的流量比增大，涡环更加靠近上游位置，但是尺度变得更小。同时稳态射流的注入使得射流横截面产生了新月形状的凹陷，导致了流向涡对的产生。2016年，Yang和Zhou[13]利用PIV进行实验，采用一对同相位工作的脉冲射流激励器强化圆柱湍流射流(Re=8 000)混合。详细研究了激励器同主流流量比、频率f/f0(f0为主流喷流柱不稳定性对应频率)对混合效果的影响。对于流量比的影响，认为主要归结于次流不同的穿透深度。对频率影响的研究表明，在f/f0=1时，激励效果最佳。同时进一步采用了流动显示的方法，提出脉冲射流作用下流场中涡结构的发展模式。入射的脉冲射流和主流发生直接相互作用，在入射面首先卷吸产生了展向的涡结构。这种展向的涡结构向内的诱导作用，使得涡辫区产生了周线的凹陷变形，形成了两对反向旋转的流向涡对。同时，入射平面上的涡环发生配对，将外围流体强烈地卷吸进射流内部，这些涡结构增强了射流同环境的混合。
根据研究可以发现，激励频率和振幅是影响脉冲射流控制效果的主要参数。和稳态射流相比，脉冲射流能获得更好的激励效果[14]，同时反对称模式激励下喷流中心线速度衰减更快[15]。但是对于这种激励模式，喷流中大尺度旋涡结构的产生和演化过程还没有深入的研究，激励频率和振幅影响机制还不清楚，因此还无法准确确定其强化混合的机制。为了更好地理解混合机理并使脉冲射流在工程应用上实现更好的效果，采用激光诱导荧光的流动显示方法对于脉冲射流激励主喷流的研究是十分有意义的。
本文利用激光诱导荧光的方法，研究反对称模式工作的脉冲射流对圆形湍流射流中大尺度涡结构演化发展过程的影响，研究激励频率和振幅对主喷流的作用。
1 实验系统 首先根据需求在水洞中搭建了喷流系统以及脉冲控制射流发生系统。图 1为脉冲射流强化喷流混合流动显示实验整体系统图。主喷流从出口直径D=0.050 8 m的收缩喷管产生，在喷管出口连接一段等直管道，长度为0.063 5 m。在喷管上游连接有直径0.265 m，长度0.6 m的缓冲室，缓冲室内布置有蜂窝网结构使流动更均匀。水源为2个容积1 000 L的水箱，通过水泵将水箱中水抽出。管路在水泵下游分为两路，一路为主流系统，一路为控制射流系统。2个脉冲射流激励器布置在喷管出口，夹角为180°。通过2个流量计控制主流和次流流量，能够实现不同的激励振幅。主喷管和激励器布置方案如图 2所示，激励器出口垂直于主喷流，位于喷管出口唇线外侧。实验中水洞尺寸为6 m×1.2 m×1 m，本次实验中喷管出口速度为U=0.66 m/s，雷诺数Re约为33 000。
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| 图 1 实验设备示意图 Fig. 1 Schematic of experimental setup |
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| 图 2 主喷管和激励器布置方案 Fig. 2 Arrangement of primary nozzle and actuators |
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1.1 LIF系统 激光诱导荧光技术作为一种非接触的流场测量方法，由于其测量精度高、无流场干扰、设备搭建简单等优点被广泛用于浓度场、温度场定量测量中。同时由于染色剂产生的荧光能够清晰的反映流场复杂的流动结构，也是一种先进的流动显示手段。LIF技术首先由Dewey[16]提出后，在喷流混合流场显示上也有广泛的应用。Xia和Zhong[17]利用PIV和LIF研究了在一对合成射流作用下平面槽道中涡结构的发展过程。Yu等[18]研究了欠膨胀喷流启动过程时涡的演化过程。Thong等[19]研究了在多只稳态控制射流作用下强化喷流混合的效果以及流向涡的运动过程。LIF的主要原理为流场中的荧光物质在激光照射下吸收一个光子的能量，跃迁到激发态。该分子短暂的停留在激发态后返回到基态，并且释放一个光子，从而产生荧光。在此过程中，激发态分子与溶液中其他分子的相互作用，或自身构象的变化会使其吸收的能量有所消耗，导致二次发射的光子能量降低。因而荧光波长通常大于入射的激光波长，此效应称为斯托克斯位移(Stokes Shift)。利用此效应，可通过滤光镜将激光激发信号与荧光响应信号分离，保证实验测量具有较高的信噪比。
荧光物质的选择主要要求所选荧光物质的激发光谱峰值应与激光波长接近，另一个选取原则是要求荧光物质具有较高的量子产率和适中的吸光系数。本文实验中采用被广泛使用的Rhodamine B作为荧光物质，其吸收峰波长位于555 nm，发射峰波长位于575 nm。在实验时预先以0.3 mg/L的浓度将Rhodamine B和水箱中的水混合。本文中所用的激光为波长532 nm的半导体泵浦固体连续式激光器，其功率在0~2 W的范围内可调。通过在激光头前加装光学镜片组来获得平面片光源，其片光厚度为1 mm。图 3为实验中使用的泵浦激光光源。
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| 图 3 泵浦激光片激光光源 Fig. 3 Diode-pumped solid state laser sheet |
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实验中图像采集使用CCD相机，其有效像元数为1 360×1 024，CCD传感器为2/3，黑白逐行，最大帧频25 Hz，最小曝光时间38 μs，可采用外触发模式控制曝光。通过计算机可以调节相机参数，采集储存图像。镜头采用Computar H10Z0812M变焦镜头，焦距范围8~80 mm，光圈1.2-22C。在镜头前加装550 nm高通滤光片，从而过滤掉激光信号。图 4为图像采集系统。
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| 图 4 图像采集系统 Fig. 4 Image capture system |
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1.2 脉冲射流发生系统 图 5为脉冲射流激励器喷嘴以及MAC电磁阀，喷嘴矩形出口狭缝长宽为21.6 mm×2 mm。在脉冲激励器前加装MAC电磁阀实现脉冲控制，电磁阀响应时间为10 ms，通过24 V直流电源进行供电。
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| 图 5 激励器喷嘴及MAC电磁阀 Fig. 5 Actuator nozzle and MAC solenoid valve |
| 图选项 |
通过一台DG645数字延迟脉冲信号发生器来产生和控制脉冲信号。DG645由高精度电路产生TTL幅值的脉冲并进行数字化控制其延迟时间进行输出。并提供4个单独的脉冲输出，最多8个延时逻辑转换。通道延时分辨率为5 ps(1 ps=10-12 s)，抖动小于25 ps，总精度为1 ns。每个通道输出TTL幅值最大5 V。由于TTL信号电压小于驱动电磁阀动作的电压，因此在DG645和电磁阀间采用固体继电器，对控制电压进行放大，固体继电器响应时间为1 ms。图 6为脉冲延时信号发生器DG645和固体继电器。实验中使用2个通道输出一定时序的TTL信号分别控制2个激励器，从而实现反对称激励，通过调节TTL信号的触发频率以及宽度能够调节激励器的频率。图 7为反对称模式激励时，激励器出口速度时序。图中：t为时间；T为激励周期。使用第3个通道作为相机的外部触发源。通过和前2个通道的配合能够实现在指定时刻开始曝光，便于捕捉特定相位时刻的流动结构。
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| 图 6 脉冲延时信号发生器以及固体继电器 Fig. 6 Pulse time-delay signal generator and solid state relay |
| 图选项 |
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| 图 7 反对称模式时激励器产生脉冲射流速度时序 Fig. 7 Time sequence of velocity of pulsed jet generated by actuator in antisymmetric mode |
| 图选项 |
2 实验结果与分析 2.1 自然喷流 图 8为自然喷流流向截面的流动显示结果。图 8(a)为瞬态流场，可以看出，在喷管出口边界层处于湍流状态。在向下游发展过程中喷流逐渐扩散，涡结构变得更加均匀。利用MATLAB对500幅瞬态流场灰度值图像进行系综平均得到图 8(b)的时均流场，采样频率为20 Hz(SrD=1.5，为基于喷管出口直径的无量纲频率，SrD=fD/U)。直线表示喷流剪切层扩展的角度。可以看出自然喷流时剪切层线性速率扩展，且扩散速度较慢。
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| 图 8 自然喷流流动显示结果 Fig. 8 Flow visualization result of natural jet |
| 图选项 |
2.2 受激励流场涡结构演化过程 首先研究受激励时剪切层中的涡结构以及演化过程，分别采用瞬态流场和相位平均的方法显示流场中的大尺度涡结构。在瞬态流场中由于相机帧频的限制只能每个周期采集1幅流场，但由于流场中涡结构的高度周期性及可重复性，因此采集的不同相位的瞬态流场仍可认为是同一涡结构的演化过程。图 9为SrD=0.077时，受激励平面大尺度涡结构的演化过程，左侧为瞬态流场，右侧为对应相位平均流场。在t=0.125T时刻，下方激励器工作产生次流，此时在上侧剪切层靠近喷管出口位置能够观察到卷起的展向涡结构B。B正是由于下方脉冲射流的扰动产生，在下游位置能够观察到倾斜的涡环A，此时A在周向上已经演化成一个完整的涡环结构，因此在上下侧剪切层中均能观察到涡环的截面。剪切层中产生的大尺度涡结构将射流内部的高速流体卷起，向外甩出，同卷吸入环境中低速流体，从而增强了射流同环境的混合。在下一时刻，由于扰动的持续，涡结构B的尺度变大，在向下游运动的同时径向向外运动。在t=0.375T时刻涡结构B已经发展成为完整的涡环，此时在下侧剪切层中能够观察到B的截面。从瞬态流场以及相位平均流场中均能发现涡环前倾截面的尺度比后半部分尺度更小，且相干性也更弱。在t=0.5T时刻下方激励器停止工作，在前半个周期由于持续的扰动作用，涡结构B能保持较好的相干性，但和层流状态的涡仍有不同，在B上能够观察到附着的小尺度的涡结构。在后半个周期上方激励开始工作，类似的在下侧剪切层中产生了展向涡A′。此时涡环B开始破裂，逐渐失去相干性，产生更多精细的涡结构。在t=0.875T时刻，展向涡结构A′演化为完整的涡环，但其倾斜角度和B相反。这种交错倾斜的涡结构诱导下喷流产生持续拍动，加速了远场剪切层的扩散。这种剪切层里涡结构的演化过程，和采用大涡模拟方法观察到的现象基本一致[16]。
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| 图 9 SrD=0.077时，受激励平面大尺度涡结构演化过程 Fig. 9 Evolution of large-scale vortex structures at forced plane when SrD=0.077 |
| 图选项 |
2.3 激励频率的影响 本节采用反对称模式对喷流进行激励，其中激励振幅保持脉冲射流和主流流量比MFR=2%，采用4个激励频率(f=0.5 Hz，1 Hz，2 Hz，4 Hz，对应SrD=0.038，0.077，0.15，0.3)研究不同频率时流场中涡结构以及喷流剪切层扩展速率。
为了研究不同激励频率的影响，图 10给出了在t=0.25T时刻不同激励频率时瞬态和相位平均的流场。可以看出，在低频SrD=0.038时，该时刻流场中只存在一个大尺度展向涡结构B，但B的尺度较大且已经演化为完整的涡环，在剪切层上下侧均能够观察到涡环截面。上一时刻产生的涡环已经完全破裂为小尺度结构。随着频率提高，在SrD=0.077时，从图 10中可以看出，相邻展向涡之间的间距减小，但此时展向涡B还未完全发展成涡环，而上一周期产生的涡环A仍保持一定的相干性，从相位平均流场中能够识别出A的后端。在这2种激励频率时，由于频率较低，导致相邻涡环间的距离过大，不会产生相互诱导作用，因此涡环始终保持初始倾斜角度向下游运动，喷流振荡程度较低。在中等激励频率SrD=0.15时，流场中能够同时观察到3个展向涡结构，其中新形成的涡结构B刚刚卷起，上一个周期形成的涡结构A发展成了完整的涡环，并且此时涡环A前端被吸入了涡环B′后端的内部。2个涡环发生了涡环相互诱导作用[20-21]。由于这种诱导作用使得涡环的倾斜角度增大，位置也更靠近外侧。从相位平均流场中能更清晰的观察到涡环倾斜角度变大。同时在远场由于交错倾斜涡环的径向诱导速度增大，在瞬态流场中能够明显观察到喷流发生了分叉现象。进一步增大激励频率至SrD=0.3，相邻周期时间间隔更短导致相邻涡间的距离进一步减小。在流场中能够观察到更多的展向涡结构，在该瞬态由于新形成的涡结构B太靠近喷管出口且尺度太小而未被捕捉到。由于展向涡间距离太短而无法演化成完整的涡环，紧密排列的涡结构形成一种近似定常的分布，在喷管出口附近引起喷流轻微的振荡，而在远场对喷流影响较弱。从相位平均流场中可以发现此时展向涡结构破裂也更快。
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| 图 10 不同激励频率时瞬态以及相位平均流场 Fig. 10 Instantaneous and corresponding phase averaged images of flow field at forced plane at different excitation frequencies |
| 图选项 |
图 11为不同激励频率下的时均流场。可以看出，和自然喷流相比，经过脉冲射流激励后，喷流在受激励平面扩展速率均明显增大，说明喷流和环境流体的混合增强。激励频率从SrD=0.038增大到0.15时，喷流扩散增大，扩张角增大，说明强化混合效果逐渐变强。进一步增大激励频率到SrD=0.3后，喷流的扩散速率又减小，说明混合效果减弱。在本实验中激励频率为SrD=0.15时混合效果最好，即存在最佳激励频率。
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| 图 11 不同激励频率下的时均流场 Fig. 11 Time-averaged flow field at different excitation frequencies |
| 图选项 |
从以上研究中可以总结出激励频率主要通过影响相邻涡结构间的距离来影响涡结构的相互作用，从而导致强化混合效果的差别。在低频时，相邻涡环的间距较大，因此相邻涡环的诱导速度很小，涡环只是保持初始的倾斜状态向下游运动，最终破裂，喷流的形态和自然喷流类似。在高频时，相邻涡结构紧密排列，上游涡结构的前半部分分布在受激励平面无法形成完整的涡环和前一个涡结构的后半部分发生相互诱导。而在最佳激励频率时，相邻涡环前后端发生相互诱导作用，使主喷流产生强烈振荡，扩展剧烈，能够卷吸更多环境流体，从而获得更好的混合效果。
2.4 激励振幅的影响 本节中采集了激励振幅为MFR=1%的流场，激励频率为SrD=0.15，和2.3节结果进行对比，研究激励振幅的影响。图 12为t=0.5T时刻该工况下瞬态和相位平均流场。可以看出，其涡结构分布模式和相同激励频率下振幅为MFR=2%时基本相同。但也存在差异，在激励振幅较大时，剪切层中产生的扰动较大，形成的速度梯度更大，因此产生的展向涡B尺度更大，强度更强。可以看出，MFR=2%时，涡结构B的尺度明显比MFR=1%时更大。同时由于涡结构强度更强，因此在周向上发展的速度更快，在该瞬态MFR=2%时在下侧剪切层中能够观察到展向涡B的前段截面，说明此时已形成完整的涡环。而在MFR=1%时，无法观察到这种结构。另一方面，由于涡结构强度更强，因此在流场中能够更持久保持其相干性。在MFR=1%时，前一个周期形成的涡环已经破裂，只能从相位平均流场中识别到。而在MFR=2%时，在流场中能够清晰观察到这种结构。同时在相位平均流场中能够观察到涡环B的前段由于涡环A的诱导作用被向前拉伸。在远场由于振幅较大时涡结构的诱导作用更强，因此在MFR=2%时喷流扩散更快。
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| 图 12 不同激励振幅时瞬态和相位平均流场 Fig. 12 Instantaneous and corresponding phase averaged images of flow field at different excitation amplitudes |
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图 13为不同激励振幅下的时均流场。从图中可以看出激励振幅增大后喷流剪切层扩散速度增大，强化混合效果更好。
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| 图 13 不同激励振幅下的时均流场 Fig. 13 Time-averaged flow field at different excitation amplitudes |
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从以上研究可以发现激励振幅越大，在剪切层中产生的扰动越大，涡卷起的尺度也更大，相干性更强，并且涡也更靠近剪切层外侧。因此卷吸能力更强，使剪切层扩散更快。
3 结论 本文搭建了喷流激光诱导荧光流动显示实验平台，通过该实验首先研究了自然喷流以及反对称模式激励时喷流中涡结构的演化发展过程。然后，通过调节激励器频率研究了频率对喷流中涡结构的影响以及对喷流剪切层扩散速度的影响。最后，研究了2个不同激励振幅时流场中的涡结构以及剪切层扩散。得到以下结论：
1) 由于脉冲射流的作用在对侧剪切层中首先卷起展向涡结构，随着控制射流的持续作用展向涡结构尺度逐渐变大，并且在周向上发展，最终演化为完整的涡环。当脉冲射流停止工作时展向涡结构逐渐削弱，失去相干性，破裂为小尺度涡结构。
2) 在激励频率较低时，展向涡结构能够演化成完整的涡环。但由于周期间隔较大，相邻涡环间相互诱导作用较弱，因此涡环只保持初始倾斜角度，喷流振荡较弱。提高激励频率会减小涡环间距离，后一个涡环的前半部被吸入前一个涡环后半部从而发生相互作用，使得涡环倾斜角度增大，在远场引起喷流分叉。当激励频率过大时，展向涡结构无法演化为涡环，其在剪切层两侧交错排列，处于拟定常状态，引起喷流在近场处轻微的振荡，并且涡结构更早破裂。
3) 激励振幅主要影响展向涡的尺度和强度。在激励振幅较大时产生的展向涡尺度较大，且强度也较大，在周向上生长更快。同时在流场中能够更持久维持其相干性。从而使得相邻涡环间诱导作用更强，强化混合效果更好。
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