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低雷诺数圆柱绕流电磁控制的研究

李夏云  
【摘要】: 本文分别从实验和数值模拟两个方面对弱导电介质中圆柱绕流的电磁控制过程进行了研究。 首先,对不同极板宽度的电磁极板圆柱绕流控制进行了实验研究,然后对置入流动弱电解质中的圆柱形电磁激活板周围的电势,磁势,电场强度,磁场强度和Lorentz力进行了数值计算,并对置于弱电介质中的圆柱电磁激活板周围产生的Lorentz力及其对圆柱绕流的控制进行了数值模拟。着重讨论了电磁激活板的宽度对其周围的电磁场、产生的Lorentz力、流场的控制和涡量变化的影响,以及Lorentz力对圆柱受力的直接影响,Lorentz力通过改变流场的状态对圆柱受力的间接和整体影响。 通过本论文关于圆柱绕流的研究,得到了如下结论: 电场强度,磁场强度和Lorentz力沿电磁激活板展向均呈周期分布,沿法向则以指数规律迅速衰减。在各电磁极板中央位置,Lorentz力取极小值,但窄极板的值较宽极板值大。电压相同时,圆柱体表面电磁激活板宽度越大,则其表面Lorentz力轴向分布的单个周期长度加大,圆柱体表面平均Lorentz力的最大值变小,且其法向衰减梯度变小,渗透深度增加。相反,电磁极板宽度越窄,Lorentz力轴向单个周期宽度变小,圆柱体表面平均Lorentz力变大,其法向衰减增加,渗透深度变小。 利用圆柱体表面附近分布的电磁场产生Lorentz力,可以明显改变流体边界层的结构,抑制圆柱表面边界层分离,同时还能消涡减阻;但极板宽度与Lorentz力也影响着边界层的控制效应。当Lorentz力较小时,分离点虽后移,但不能够完全抑制流体的分离,极板越窄对尾涡的抑制效果越好。随着Lorentz力的增大,由于极板窄的表面涡量大,所以可以首先达到完全抑制流体分离的控制效果;当控制参数N值较大时,无论极板宽窄,都可以达到完全抑制流体分离的效果。随着Lorentz力增大,圆柱的表面涡量增大,流体分离点后移,表面涡量和阻力的振动幅度逐渐减小至零,且所受的阻力减小。


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