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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.)


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