回转体流场三维结构特征及其电磁力控制效应的研究

【摘要】：导电流体中电磁场产生的电磁力可以改变流体边界层的结构,是用于流体流动控制的一种有效手段。根据研究工作所采用的控制方法的不同,电磁流动控制(Electromagnetic Flow Control, EMFC)研究分为磁流体力学(Magnetic Hydrodynamics, MHD)和电磁流体力学(Electromagnetic Hydrodynamics, EMHD)问题。采用电磁力来控制具有一定电导率的流体的流动,尤其是弱导电流体(如海水、弱电解质溶液等)的流场结构,是通过对流体边界层结构的重构与调整以实现控制,其控制作用体现为非线性控制的综合效果,属于典型的EMHD方面的研究问题。这种流动控制技术可减小航行器的阻力、增强或抑制旋涡,对于增加航行器的推进效率、增加可操纵性和机动性等方面具有广阔的应用前景。随着人们对非线性科学(如非线性优化控制)的研究取得了重要的进展、对湍流机理研究的进一步深入(如流体混合层、近壁剪切湍流的拟序结构,湍流标度率的认识等),电磁场对弱导电流体流动控制研究的课题已经成为近年来流体力学和电磁流体力学研究领域的热点研究方向,形成了电磁湍流控制(Electromagnetic Turbulence Control, EMTC)的研究热点。 本文采用层次结构网格下的有限体积法求解带电磁力源项的Navier-Stokes方程,对圆柱绕流、圆球绕流和潜艇及其附体流场的三维结构特征及其电磁力控制效应的问题进行了数值模拟研究。 主要的研究结果如下： (1)圆柱绕流在卡门涡街脱落过程中,随着雷诺数增大,展向的卡门涡逐渐失去稳定性,两种典型的三维不稳定性模式为模式A和模式B。研究结果表明,模式A流场不稳定性的展向波长约为3.3至5倍圆柱直径,模式B流场不稳定性的展向波长约为0.83倍圆柱直径。在圆柱绕流边界层区域内施加电磁力后,卡门涡的脱落得到有效抑制,圆柱后滞点附近的压力得到提升,阻力减小且升力的波动被抑制。 (2)与圆柱绕流的分离泡失去对称性变为非定常流动不同,圆球绕流在三维转捩过程中,尾迹从涡环变为双线涡,双线涡失稳后变为发夹涡脱落。在圆球绕流为非定常面对称流动过程中,随着发夹涡的脱落升阻力具有相同的变化频率和相位角。随着雷诺数继续增大至400左右,涡结构和受力曲线均呈现准周期性变化。通过在圆球边界层施加电磁力后,抑制了发夹涡的形成和脱落,缩小了圆球后滞点周围的最小压力区域,圆球在流向和垂直于流向方向的受力波动被抑制。 (3)针对具有复杂附体结构的潜艇模型,分析了由于附体的扰动对潜艇主体流场的影响,分析了不同雷诺数和航行姿态下潜艇主体及其附体流场的结构变化规律；通过利用电磁力对潜艇附体的局部流场进行控制,改善了潜艇的整体流场和动力学特性。结果表明,在潜艇及其附体流场中,随着雷诺数量级的增大,围壳后尾涡的脱落对流场的扰动作用越来越大。在其他参数相同且航行姿态不同时,偏航时的流场较直航时稳定,下俯时的流场较上仰时的流场稳定。通过在围壳边界层施加电磁力控制后,围壳后的尾涡被抑制为稳定的线状涡。对于带尾舵和鳍翼的潜艇流场,电磁力也可以有效抑制翼型后尾涡的脱落,具有较好的减阻控制效果。 通过对圆柱、圆球和潜艇等典型回转体的流场三维结构特征及其电磁力的控制效应的系统研究,得到了回转体绕流流场的结构特征及其电磁力控制参数。研究结果对减少航行器的阻力、抑制旋涡脱落等方面具有一定的应用价值,对于提升航行器的推进效率、减少燃料消耗、稳定性和机动性等方面的研究工作具有一定的意义和作用。