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《南京理工大学》 2011年
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以减阻增升减振为目标的尾流的电磁优化控制

张辉  
【摘要】:电解质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动。将其用于钝体的振荡时,可以消除涡街、减少阻力和抑制振动。本文对涡生振荡及其电磁控制进行实验和数值研究。实验在转动水槽中进行,通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中。吊杆上的应变片用于测试圆柱的受力,注入适当的染料用来显示流场。数值模拟时,流场的基本方程为指数极坐标中考虑场力的Navier-Stokes方程,计算采用ADI格式和FFT格式,圆柱的运动方程利用Runge-Kutta法求解。 1)将指数极坐标建立在运动圆柱上,推导了剪切来流涡生振荡的涡量流函数方程、初始和边界条件及圆柱表面的水动力分布方程,其中水动力包含惯性力,涡生力和粘性阻尼力,推导了圆柱运动方程,其中虚拟质量包括圆柱本身的质量,惯性附加质量和粘性附加质量。揭示了影响圆柱从固定到稳定振荡全过程的流固耦合过程的三种因素:一是涡的周期脱落,主导涡的拉拽会使圆柱一侧的剪切层增强。二是剪切来流,由此产生的背景涡使圆柱一侧的涡增强,另一侧的涡减弱,并使前滞止点向一侧漂移。三是圆柱振荡,排挤一侧流体,抽吸另一侧流体。这三种因素共同决定了剪切来流涡生振荡的特有的变化特性。(此部分内容被国际著名物理类期刊Physics of Fluids审稿专家评为This control strategy seems to be enough interesting to be studied in detail. The paper is new and interesting.) 2)对电磁力的消涡、减阻、增升和减振机理进行了研究。结果表明:电磁力按其作用效果可以分为流场电磁力和壁面电磁力。流场电磁力通过改变流场从而改变圆柱的受力,这部分的作用效果可以抑制涡的周期脱体,使阻力增大,升力的振幅减小从而抑制圆柱振荡;另一部分是电磁力的直接作用来改变圆柱的受力,这部分的作用效果对流场没有影响,仅仅增加圆柱尾部的推力来减阻,对减振没有效果。而单边电磁力施加在流速较快的一侧(上侧),诱导流场产生方向向下的升力:壁电磁力产生方向向上的升力,且占主导,因此可以提高圆柱的升力。另外,数学推导并以电磁控制的数值计算结果验证了,低雷诺数的二维不可压缩流动,无论固体边界的形状如何,流场中是否存在控制流动的场力,只要边界上无滑移,Okubo-Weiss函数在全流场的积分就恒为零。(此部分内容被国际著名流体力学期刊Fluid Dynamics Research审稿专家的评为The referee holds positive viewpoint on the investigation, which makes scientific sense in explaining the underlying mechanism of the drag reduction methodology by adding Lorentz force.) 3)基于非线性优化控制理论,对电磁圆柱绕流进行优化控制。将N-S方程限制下的条件极值问题,转化为求解协态流场和控制感度方程的问题,利用往返优化的思路求解流动方程和协态方程,从而得到流场的非线性优化控制的解。计算结果表明,利用该优化控制量,可以有效的控制圆柱绕流。另外,本文还对电磁激活板的包覆位置进行优化,研究表明,场电磁力增阻,壁面电磁力减阻,是一对矛盾因素。当激励板的中心处于子午面θm=90°时,增阻和减阻的效果皆最好,但综合的减阻效应并非最佳。当其位于分离点附近时,减阻效果最好,是减阻的最佳位置。(此部分内容被国际著名计算类期刊Computersfluids和国际著名力学类期刊European Journal of Mechanics审稿专家评为The manuscript describes an interesting control approach to suppress the formation of vertices and their adverse effects in the wake of cylinder. The work appears of quality and the paper is recommended for publication.)
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O441

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 高建国;陈志华;;通孔柱体的流场特性研究[J];水动力学研究与进展A辑;2013年06期
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张辉;范宝春;贺旺;李鸿志;;剪切来流下电磁减阻与尾流控制[J];兵工学报;2010年10期
2 张辉;范宝春;贺旺;李鸿志;;电磁力作用下绕流减阻与优化控制[J];兵工学报;2010年10期
3 李椿萱,彭少波,吴子牛;附属小圆柱对主圆柱绕流影响的数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
4 黄为民,游晖,林向群;前驻点加热圆柱绕流场的实验研究[J];上海机械学院学报;1994年03期
5 贾志刚,吕志咏,邓小刚;均匀来流中旋转振荡圆柱绕流的数值研究[J];航空学报;1999年05期
6 林长圣;近平板圆柱绕流的边界元分析[J];重庆建筑大学学报;2000年06期
7 汪箭,陶正文,雷云龙,范维澄;热圆柱绕流的数值模拟[J];计算物理;1992年04期
8 刘松,符松;纵向受迫振荡圆柱绕流问题的数值模拟[J];计算物理;2001年02期
9 陈耀慧;范宝春;周本谋;陈志华;张辉;李鸿志;;翼型绕流的电磁力控制[J];力学学报;2008年01期
10 陆夕云,庄礼贤;均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究[J];力学学报;1994年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;Influences of Lorentz force on the hydrofoil lift[J];Acta Mechanica Sinica;2009年05期
2 钱吉胜;沙莎;陈志华;易文俊;;电磁MEMS在流体控制中的应用[J];微纳电子技术;2010年10期
3 张辉;范宝春;贺旺;李鸿志;;剪切来流下电磁减阻与尾流控制[J];兵工学报;2010年10期
4 张辉;范宝春;贺旺;李鸿志;;电磁力作用下绕流减阻与优化控制[J];兵工学报;2010年10期
5 徐枫;欧进萍;;方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟[J];东南大学学报(自然科学版);2005年S1期
6 龙飞飞;戴光;付冰;;高雷诺数下静止管道绕流的数值分析[J];大庆石油学院学报;2007年06期
7 葛秀坤;赵庆贤;邵辉;陆钰;;绕流对称性破缺诱发柔细结构振动研究——以Tacoma大桥风振致毁事故为例[J];防灾减灾工程学报;2011年04期
8 刘堃;郭德勇;郑茂杰;杨炎锋;;煤化工企业苯罐区泄漏的绕流特性[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2011年03期
9 ZHANG Hui;FAN Baochun;CHEN Zhihua;LI Hongzhi;LI Baoming;;Experimental Research on the Mechanism of Lift Amplification and Vibration Suppression of Lorentz Force[J];Defence Technology;2013年02期
10 薛大文;陈志华;孙晓晖;陈耀慧;;翼型绕流分离的微楔控制[J];工程力学;2014年08期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 徐枫;欧进萍;;方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟[A];2005年全国博士生学术论坛(土木建筑学科)论文集[C];2005年
2 张云海;刘延平;吴旌;杨光;;微动摆能源补充技术在海洋监测平台中的应用[A];第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集[C];2007年
3 鄂学全;柏威;;波流共同作用下旋转振荡圆柱绕流的数值模拟[A];第十七届全国水动力学研讨会暨第六届全国水动力学学术会议文集[C];2003年
4 齐鄂荣;李炜;李国亚;吴剑;张昕;;各种间隙比下水平圆柱绕流旋涡特性的实验研究[A];第七届全国水动力学学术会议暨第十九届全国水动力学研讨会文集(上册)[C];2005年
5 谷家扬;卢燕祥;杨建民;;张力腿平台四柱绕流的数值模拟[A];第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集(上册)[C];2012年
6 尹纪富;尤云祥;胡天群;;电磁力控制高雷诺数圆柱体绕流场特性数值模拟[A];第二十五届全国水动力学研讨会暨第十二届全国水动力学学术会议文集(上册)[C];2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈元坤;分裂导线的微风振动与次档距振荡研究[D];华中科技大学;2011年
2 李秀文;用格子Boltzmann方法模拟电磁力作用下的流动问题[D];吉林大学;2011年
3 谭玲燕;用格子Boltzmann方法模拟圆柱的搅动流动及减阻[D];吉林大学;2011年
4 梅栋杰;槽道湍流的展向振荡电磁力减阻[D];南京理工大学;2011年
5 赖永星;换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究[D];南京工业大学;2006年
6 邓绍云;圆柱桩群阻力特性及其对底床冲淤影响的研究[D];南京水利科学研究院;2007年
7 沙勇;悬跨海底管线动力响应试验与数值研究[D];大连理工大学;2007年
8 冷学礼;振动圆管外强化传热机理及污垢生长特性研究[D];山东大学;2007年
9 王广地;波流作用下悬浮隧道结构响应的数值分析及试验研究[D];西南交通大学;2008年
10 孔德怡;基于动力学方法的特高压输电线微风振动研究[D];华中科技大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 秦义;二维转动板的绕流特性数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 徐娴;桥梁吊杆气动力性能的数值研究[D];华中科技大学;2009年
3 孟元元;圆柱绕流的数值模拟研究[D];甘肃农业大学;2010年
4 黄剑;二维振动屋盖的绕流特性数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 林纬;横纹管脉冲流动与壁面振动对流传热特性研究[D];武汉工程大学;2011年
6 张光林;翼型流场电磁力主动控制研究[D];上海交通大学;2012年
7 赵卓茂;附属管抑制隔水管涡激振动的流体动力学特性研究[D];上海交通大学;2012年
8 樊娟娟;顶张力立管流固耦合的涡激振动数值模拟[D];天津大学;2012年
9 李国亚;有限水深横流中近壁水平圆柱绕流的实验研究[D];武汉大学;2004年
10 李夏云;低雷诺数圆柱绕流电磁控制的研究[D];南京理工大学;2007年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 于宪钊;苏玉民;王兆立;;近尾迹中平板对钝物体的干扰[J];哈尔滨工程大学学报;2011年03期
2 陈野军;邵传平;;尾部喷射对流向振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2012年04期
3 王赛;邵传平;;隔离板对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落的抑制[J];力学学报;2012年04期
4 张辉;范宝春;陈志华;周本谋;;Lorentz力对弱导电流体中圆柱受力的影响[J];水动力学研究与进展A辑;2007年06期
5 杨新峰;苑秉成;陈立纲;刘国平;;微气泡减阻实验研究[J];水动力学研究与进展A辑;2009年01期
6 邹琳;林玉峰;;亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究[J];水动力学研究与进展A辑;2010年01期
7 张芝永;拾兵;范菲菲;阮雪景;;导流板对海底管道绕流影响的数值模拟与试验研究[J];水动力学研究与进展A辑;2011年05期
8 郑博文;邵传平;张洪军;;小控制杆对矩形柱尾流旋涡脱落的抑制[J];中国计量学院学报;2011年03期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 范宝春,姜孝海,叶经方;电磁力的消涡与减阻[J];兵工学报;2003年01期
2 黄为民,郭维琳;法向表面力形式的热驱动力[J];上海机械学院学报;1993年04期
3 王志东,汪德爟,赖锡军;非正交同位网格中的SIMPLE算法[J];河海大学学报(自然科学版);2003年05期
4 贾志刚,吕志咏,邓小刚;均匀来流中旋转振荡圆柱绕流的数值研究[J];航空学报;1999年05期
5 ;Open-loop and optimal control of cylinder wake via electromagnetic fields[J];Chinese Science Bulletin;2008年19期
6 吴子牛,朱自强;可压流几何分区计算[J];力学进展;1998年04期
7 吴江航;数值求解不可压粘性流体定常运动的格林函数方法[J];力学学报;1984年05期
8 陆夕云,童秉纲,庄礼贤,尹协远;均匀来流中横向振动圆柱近迹涡结构的数值模拟[J];力学学报;1993年05期
9 陈志华,范宝春;包覆电磁场激活板的圆柱尾迹的数值研究[J];力学学报;2002年06期
10 周本谋,范宝春,陈志华,叶经方,丁汉新,靳建明;流体边界层上电磁力的控制效应研究[J];力学学报;2004年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 庞涛;金属表面受电磁力的计算及其类似情况的处理方法[J];大学物理;1984年09期
2 张辉;范宝春;陈志华;李鸿志;;电磁控制涡激振荡的实验研究[J];实验流体力学;2014年01期
3 尹纪富;尤云祥;李巍;胡天群;;电磁力控制圆柱体三维绕流场的脱体涡模拟[J];上海交通大学学报;2014年02期
4 刘慧娟;傅为农;;薄壳单元法在接触物体间电磁力计算中的应用[J];电机与控制学报;2012年08期
5 李彦新;电磁力的作用和电磁转矩的产生[J];河北工业科技;2001年03期
6 张永隆;张彦;;电磁力飞行器[J];中国科技信息;2006年15期
7 冯孝燕;王琤;赵波;徐芳华;高杰;;交变磁场中硅熔液的电磁力有限元分析[J];人工晶体学报;2013年08期
8 唐云江;;为什么弹力属于电磁力?[J];科学世界;2012年11期
9 郭春海;谭俊杰;张旺龙;;电磁力诱导二次流对微流体混合效果影响的研究[J];力学与实践;2011年02期
10 尹纪富;尤云祥;李巍;;亚临界区雷诺数下圆柱绕流场电磁力控制数值研究[J];海洋工程;2014年04期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 陈耀慧;陈志华;范宝春;;翼型绕流电磁力控制优化[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
2 张辉;范宝春;陈志华;;电磁力增升减振机理的实验研究[A];第九届全国实验流体力学学术会议论文集(上册)[C];2013年
3 谢宝昌;王建辉;俞希递;;永磁直线同步电动机电磁力研究[A];第十一届中国小电机技术研讨会论文集[C];2006年
4 吴存有;;强磁场在材料科学上的应用研究进展[A];2007中国钢铁年会论文集[C];2007年
5 刘会星;周本谋;刘宗凯;单伟;程峰;;翼型绕流的电磁力优化控制数值模拟[A];中国物理学会第十五届静电学术年会论文集[C];2009年
6 胡宇达;邱家俊;卿光辉;;汽轮发电机端部绕组的电磁力计算与振动问题[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
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1 ;科学家提出用电磁力测定物体准确质量[N];中国高新技术产业导报;2005年
2 肖英龙;日本连铸工艺中电磁力应用技术[N];中国冶金报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 刘会星;回转体流场三维结构特征及其电磁力控制效应的研究[D];南京理工大学;2012年
2 郭春海;电磁力扰动作用下微管道中液体流动与混合的特性研究[D];南京理工大学;2012年
3 张辉;以减阻增升减振为目标的尾流的电磁优化控制[D];南京理工大学;2011年
4 陈耀慧;翼型绕流的电磁力控制[D];南京理工大学;2009年
5 蒙亮;同步发电机异常非线性特征的研究[D];华北电力大学(北京);2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张婧;基于电磁力的焊接热裂纹随焊控制新方法[D];哈尔滨工业大学;2006年
2 侯振东;基于电磁力的分离式航天器相对轨道控制方法[D];哈尔滨工业大学;2012年
3 张光林;翼型流场电磁力主动控制研究[D];上海交通大学;2012年
4 刘金鹏;基于Ansoft的电励磁爪极发电机磁场分析与径向电磁力计算[D];西南交通大学;2014年
5 刘鹏;翼型失速的电磁力控制[D];南京理工大学;2007年
6 邵万里;精密电磁力平衡传感器设计[D];湖南大学;2012年
7 刘海龙;大型感应电动机电磁力及振动特性分析[D];沈阳工业大学;2007年
8 殷玲;电磁力控制翼型体绕流的数值研究[D];南京理工大学;2006年
9 陈安科;线性电磁力控制系统试验和研究[D];重庆大学;2012年
10 张文战;汽轮发电机定转子电磁力分析及其应用研究[D];华北电力大学(河北);2010年
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