主动流动控制技术已成为提升高速飞行器飞行性能的重要手段之一,其在改善增强流动掺混、降低流动噪声方面的应用成果颇丰。本文采用大涡模拟方法研究了热激励器用于高速、高雷诺数的平面剪切流和圆管自由射流的主动控制机理;掌握应用热激励器增强剪切层混合和抑制噪声的规律,考察热激励器激励强度、激励方式和热激励器位置的影响。具体研究内容包括以下几个方面:(1)采用大涡模拟方法研究了马赫1.3剪切流动。通过分析时均流场和瞬时流场的速度、压力分布和对流动的频谱分析,发现在二维数值模拟中,随着流动向下游发展,压力势能转化为涡的动能,同时压力的波动频率降低,波动强度增大。利用三维模型分析了剪切层内各涡量分量和湍动能的分布特性,发现剪切层头部区域主要以展向涡量为主,形成沿展向连续的条状涡结构;剪切层内流向涡量的发展导致了条状涡结构的失稳,是发夹涡结构产生的主要诱因之一。(2)采用大涡模拟方法研究了不同激励方式对马赫1.3自由剪切流动的影响。在二维数值模拟中,研究了定常激励幅值和非定常激励频率对流动的影响,研究发现定常激励的功率越大,压力波动的主频越高,而主频下的幅值却越低;非定常激励作用同样使压力波动主频升高,主频峰值降低;在激励频率较低的工况中,出现了频率更高、幅值更低的多个峰值。在三维剪切流动的模拟中,采用了脉冲式的激励方式,从激励幅值、激励频率和占空比这三个角度研究了激励对大涡结构的影响,研究发现在激励作用下,剪切层厚度、平均湍动能和平均涡量值的增长均快于基准态,提高激励幅值能得到更大的速度和压力波动的峰值;当热激励器的激励幅值和占空比足够大时,其激励作用对流场的影响会有质的改变;从频谱分析中发现,尽管激励频率远低于剪切流动本身的波动频率,激励作用还是有效地抑制了剪切流动的高频波动。(3)采用大涡模拟方法对马赫1.3二维轴对称射流和三维圆管射流进行了数值模拟。在二维数值模拟中,发现轴线上的压力波动是由剪切层内涡的卷吸作用引起的,其压力波动频率较低;而剪切层内的压力波动受涡结构的运动和剪切应力共同影响,波动频带较宽。研究三维射流流场分布特点和射流剪切层内的速度波动,发现流向涡量的产生促进了动量在空间的传递,促使剪切层增厚,压力波动范围增大。(4)采用大涡模拟方法研究了不同激励模式对马赫1.3超音速圆管自由射流涡结构的影响,分别采用二维轴对称和三维模型探究了激励幅值和激励频率的影响,分析了空间上不同激励模式对三维射流大涡结构的控制机理。结果表明:对于轴对称射流,激励频率越高,涡脱落发生地越早,其生成速度也就越快。在三维射流的数值模拟中,分析了m=+-1模式和m=+-4模式下的近场流场和远场声场的特征。热激励器形成的高温流体区域对下游流动产生了类似“物理突起”的效果,在其附近形成的高涡量区域加速了射流剪切层的发展,增强了射流掺混;采用Q判据得到射流大涡结构的分布,发现激励作用能产生更大的径向速度和周向速度波动,促进发卡涡的形成;不同激励模式形成了不同的大涡结构和气动噪声频谱分布,超音速射流的气动噪声频带很宽,激励作用在一定程度上改变了噪声频谱特性,有效地抑制了气动噪声的高频成分。