扫频射流激励器由于其结构简单，且具备高频率、高动量变化范围的扫掠射流特性，被应用在航空发动机及飞机机翼中能够明显提升部件气动和传热等性能，是一种极具潜力的新型主动流动控制技术，可为有效抑制压气机三维流动分离、拓宽稳定工作范围提供可行的设计方法和技术方案。

为了满足特种作战需求，现代战斗机的机动性能包括过失速机动能力面临极大挑战。然而，剧烈机动作战中飞机迎角快速变化将使得航空发动机进气条件复杂多变，同步维持压气机部件的高气动性能和流动稳定性已经成为当前航空推进系统的技术瓶颈之一。因此，发展新型高效流动控制技术成为解决现代战斗机动力系统适配性问题的必由之路。

流动控制方法依据能量供给方式可分为主动与被动两类，其中主动控制因具备宽域动态工况适应性而更具潜力。研究表明，相较于定常控制，非定常主动流动控制技术凭借其高频响应特性，能够精准调控瞬态流动分离过程，抑制非定常三维涡系发展。这种通过动态扰动重构流场能量的控制机制，为突破压气机失速裕度与气动性能的权衡关系提供了新途径。

扫频射流激励器（SJA）是一种新型的非定常主动流动控制技术（见图1），其原理在于内部射流周期性地在混合腔两侧壁面附着，形成射流方向连续扫掠的动态输出^[1]。该技术具有射流覆盖范围广、能量利用效率高、仅通过定常输入即可产生非定常作用效果等优势，在消除静子角区分离、抑制转子叶尖泄漏流等方面具有广阔应用前景。

主动扫频射流激励器控制技术

基于扫频射流激励器作用原理，近年来SJA开始被应用于压气机叶栅以抑制通道中的三维角区分离流动，从而减少二次流损失。角区分离是压气机内部流动的固有特征，通道中端壁的低能流体会在横向压力梯度作用下向叶片吸力面和端壁形成的角区聚集，导致角区边界层抵抗逆压力梯度的能力下降，进而会发生大范围的分离，堵塞流道，显著降低压气机气动性能。基于角区分离的形成机理和发展过程，哈尔滨工业大学提出了两种针对角区流动分离的SJA主动控制策略，包括叶片吸力面角区SJA布置策略^[2]和端壁SJA布置策略^[3]，分别从“结果”和“过程”两个方面开展了角区流动分离控制技术研究，揭示了两种方案对抑制角区分离、减少二次流损失的控制机理，并通过试验验证了其有效性。

第一种控制策略旨在直接削弱已形成的角区分离结构，属于“结果”控制思路。控制前后的叶片吸力面油流流场情况如图2所示，SJA被布置在叶片内部，其射流出口位于叶片吸力面靠近端壁的区域，以形成对角区流动的直接激励。SJA产生的扫频射流通过直接向聚集的低能流体注入沿主流流向的动量，在提高其抵抗逆压力梯度能力的同时，阻碍了低能流体在通道涡作用下的径向迁移，进而抑制了吸力面分离螺旋点的形成，使叶栅角区分离在展向的发展范围相对减小了60%以上。进一步的性能评估表明，这种控制策略使用不超过叶栅进口总流量0.5%的激励流量，可使叶栅总压损失相比原型方案最大下降12.7%。通过对布置方案的参数化研究发现，SJA布置位置对控制效果具有重要影响，SJA出口应尽可能位于角区低能流体的积聚区域，在有效注入动量的同时避免射流和主流掺混造成额外损失。

另一种控制策略则将SJA布置在靠近叶片前缘吸力面一侧的端壁上，SJA出口朝向叶片压力面，旨在通过向尚未发生横向迁移的端壁边界层注入动量，削弱端壁横向压力梯度对低能流体的驱动效应，进而抑制其在横向压力梯度下向叶片角区的迁移，达到限制角区分离发展的目的，实现“过程”控制。控制前后叶片尾缘下游测试截面的总压损失系数分布如图3所示，在端壁SJA产生的扫频射流激励下，由三维角区分离造成的高总压损失区（图3中区域B所示）的强度和范围均显著减小，显著抑制了角区分离，改善了叶栅内的二次流流场。然而，该控制策略在改善角区流动的同时，由于SJA激励阻碍了低能流体的横向迁移，因此不可避免地导致了近端壁区域的边界层厚度增加（图3中区域C所示），从而使得SJA激励下游的局部端区二次流损失略有增加。从综合的控制效果来看，该控制策略仍能够显著改善叶栅近端壁区域的二次流流场，研究表明通过使用叶栅进口总流量0.13%的激励流量就能够获得14.6%的总压损失减少量，取得了较好的流动控制效果。

除以上试验研究外，为了进一步深入探究端壁SJA控制策略对角区分离流动的非定常控制机理，采用大涡模拟方法对SJA控制下的压气机叶栅流场进行数值模拟，获得了不同时刻流场二次流结构及其非定常演化特性。研究表明，端壁SJA抑制低能流体横向迁移的机理在于，其产生的扫频射流会在流场中诱导出具有流向涡量的小尺度旋涡，使端壁局部区域的低能流体朝着与端壁二次流横向迁移相反的方向运动。由于受到SJA非定常扫掠特性的影响，与典型定常射流所诱导的大尺度旋涡特性相比，SJA激励更容易诱导出近壁面的小尺度旋涡，使得SJA激励诱导的二次流与定常射流相比与主流的掺混尺度更小，因此，SJA在抑制端区二次流发展的同时，避免了与主流掺混损失的大幅增加。此外，基于当前的研究频率范围和叶栅几何条件，还发现在SJA非定常激励下，角区分离流动内部频率特性会表现为以激励频率为主的非定常响应特性。

综上所述，两种基于SJA的控制策略均可有效抑制压气机角区的三维流动分离，显著地提升叶栅的气动性能。其中，叶片吸力面布置策略适用于对已完全发展角区分离结构的“结果”控制，具有显著的局部控制效果；而端壁布置策略则更适用于角区分离早期发展的“过程”控制。两种控制策略体现了不同的控制机理，控制效果受到激励频率、激励位置和激励流量等控制参数的影响较大，在实际应用中可结合流场特性和控制目标进行合理的选择和设计。

自激励扫频射流激励器控制技术

自激励扫频射流激励器（SSJA）作为一种零能量输入的非定常流动控制技术，通过压气机流场内部压差实现SSJA的自激励射流（见图4）。与SJA主动流动控制技术相比，该技术无需外部气源供给，利用叶栅压力面与吸力面的压差，在吸力面产生非定常扫频射流。SSJA无需复杂的供气管道和调节阀，显著降低了系统复杂度，提升了工程应用可行性。

南京工业大学陆惟煜等^[4]提出了无源自激励射流叶片设计，通过数学公式的推导证明SSJA可产生与主流速度相近的出口速度，在不同工况下可使压气机叶栅总压损失系数降低2.8%～9.6%，且射流参数随来流条件呈现自适应特性。哈尔滨工业大学和中国航空发动机研究院组成的联合研究团队首次在低速风洞试验中验证了SSJA对压气机叶栅吸力侧叶型分离的控制效果，并系统研究了SSJA进出口位置、压差及几何尺寸的控制规律^[5]。研究发现当SSJA出口布置于叶片吸力面转捩区附近时，SSJA诱导的流向涡增强了主流与边界层的动量交换，从而有效抑制了叶片表面的叶型分离，总压损失系数最大降幅可达27.04%。当SSJA尺寸增加时，其产生的自激扫频射流强度增加，控制效果变好，但尺寸过大会破坏主流流场结构，造成附加流动损失。SSJA具有独特的变工况自适应性，不同攻角下叶片两侧驱动压差的变化与叶型分离形成动态平衡。

SSJA技术有效解决了SJA主动流动控制技术中综合能量消耗与总体控制效果的工程化矛盾，同时消除了外接气源带来的系统复杂性问题，这种自激励特性使其在航空发动机紧凑空间内展现出独特的应用优势。然而，该技术的实际工程应用仍面临关键挑战，如SSJA设计参数（激励位置、激励器尺寸等）与激励参数（激励流量、扫掠角度等）的强耦合效应对控制效果的复杂影响，需解决多参数耦合影响的问题。

其他相关技术

闭环控制是主动流动控制技术面向应用的关键，哈尔滨工业大学研究团队对基于SJA扫频射流的闭环流动控制技术进行了初步探索，构建了针对压气机叶栅内流动分离的闭环流动控制系统，如图5所示，基于LabVIEW平台，系统集成了压力信号采集、流场感知、执行器控制功能，系统硬件架构包括SJA激励器、PSI-9116传感器、可编程逻辑控制器、比例电磁阀执行机构和服务器等。在基于SJA的闭环流动控制系统的构建过程中，如何可靠感知叶栅通道内的分离流动并准确实施SJA激励是面临的一大难点。为此，开发了基于机器学习的流场感知方法，实现了通过稀疏压力测点对全局压力分布的重构，进一步结合角区分离、叶片载荷分布及SJA激励控制规律，实现了对三维流动分离特性的可靠预测及实时高效的闭环控制。通过闭环流动控制试验表明，该闭环流动控制系统能够实时响应流动分离的动态变化，在保证控制效果的同时实现SJA激励能量消耗的优化配置，为后续进一步的工程应用提供了良好的理论基础和技术支撑。

此外，压气机转子稳定裕度受限于极端工况下叶尖泄漏流引发的突尖失速，针对这一问题，基于SJA的叶顶喷气扩稳控制也成为近期相关领域的研究热点之一。采用非定常数值模拟方法，开展了基于SJA扫频射流的扩稳控制研究。结果表明，SJA可有效抑制泄漏流发展，具备了大幅提升压气机稳定裕度的潜力。SJA能够通过削弱激波与泄漏涡的耦合作用，缓解叶顶区域的流动堵塞，有效抑制激波下游泄漏涡的破碎，使其周向影响范围收缩，强度减弱，从而实现气动稳定性提升的控制目标。针对SJA在压气机扩稳方面的研究还刚刚起步，相关间隙泄漏流控制机理及二次流损失抑制规律还不够明晰，在级中的轴向激励位置、激励角度和激励频率等关键参数影响的研究还相对欠缺，目前还未能看到更有竞争力的控制策略和方案，在未来还有待进一步的深入研究。

由于SJA的激励频率与激励流量具有耦合特性，一般来说，随着激励流量的增加，激励频率也按照一定的规律逐渐增加，无法在研究中单独考虑激励流量和激励频率的影响特性。然而，激励流量是影响动量系数的关键参数之一，激励频率是影响非定常控制效果的关键参数之一，有必要对以上两个关键激励参数进行解耦分析，以进一步优化SJA的流动控制效果。由于SJA激励流量和激励频率的耦合特性依赖其内部几何结构的设计，包括混合腔长度、混合腔壁面倾斜角度以及入口喷嘴长宽比等，如果SJA的几何尺寸确定，那么耦合特性将确定，无法进行单独激励参数的详细研究。针对这一问题，孟庆鹤等^[6]开发了针对非定常SJA的模化研究方法，利用三角函数模型对SJA的非定常瞬时激励特性进行了模拟，通过简化的SJA出口代替了实际的SJA复杂结构，可实现对SJA激励流量和激励频率的解耦研究，且更方便开展相关激励参数的影响规律研究，从而更好地服务于SJA的工程应用及设计优化。此外，采用该模化研究方法可有效降低非定常计算的资源消耗，显著提升工程设计的计算和产品迭代效率。

结束语

近几十年来，主动流动控制技术的迅猛发展不断推动飞行器性能突破极限，成为拓展性能边界的重要途径之一。在此背景下，SJA作为一种新型非定常激励技术，凭借其高可靠性、宽激励频率范围和优异的流动控制性能，在航空工程应用中展现出广阔的应用前景。尽管如此，SJA在实际应用中仍面临复杂非定常流场激励控制机理不清晰、大流量条件下自身内部流动损失高等问题，尚需进一步优化和深入研究。展望未来，SJA有望成为实现主动流动控制技术高效自主智能化发展的重要支撑之一，同时可在热端部件冷却、燃烧效率优化等领域发挥关键作用，持续助力航空发动机性能提升。

（陈绍文，哈尔滨工业大学，教授，主要从事航空发动机气动热力学及先进主、被动流动控制技术研究）

参考文献

[1] GREGORY  J W, SULLIVAN J P, RMAN G, et al. Characterization of the microfluidic oscillator[J]. AIAA journal, 2007, 45(3): 568-576.

[2] MENG Q, CHEN S, LI W, et al. Numerical investigation of a sweeping jet actuator for active flow control in a compressor cascade[C] // ASME Turbo Expo 2018:Turbine Technical Conference and Exposition, 2018, GT2018-76052.

[3] YANG P, CHEN S, LIU G, et al. Corner separation control using sweeping jet actuator in a compressor cascade[J]. Journal of Turbomachinery, 2024, 146(10): 104503.

[4] LU W, JIAO Y, FU X. Concept of self-excited unsteady flow control on a compressor blade and its preliminary proof by numerical simulation[J]. Aerospace Science and Technology, 2022, 123: 107498.

[5] ZENG C, CHEN S, ZHENG L, et al. Experimental study on controlling flow separation of compressor cascades with self-excited sweeping jet actuator[J]. Journal of Turbomachinery, 2025,147(9): 091014.

[6] 孟庆鹤, 陈绍文, 刘宏言, 等. 扫频式射流对设计工况压气机叶栅流动分离影响的数值研究[J]. 推进技术, 2020, 41(03): 566-573.