实时控制壁面拟序结构的湍流边界层壁面减阻实验研究

论文摘要

工程领域中,湍流的身影处处皆在。流体在交通工具表面产生湍流边界层,进而产生高额的剪切阻力,造成能源的浪费。因此,考虑到湍流边界层减阻技术所带来的经济价值,湍流边界层控制方面的研究显得尤为迫切。传统的开环控制系统不考虑流场中的信息,系统简单,早前的研究大都集中于此,对于结合了流场信息作为系统输入的闭环控制研究,结构复杂,鲜有涉及。针对以上背景,本文提出实时控制壁面拟序结构的湍流边界层壁面减阻实验研究。本课题基于流向狭缝吹气技术,研究不同闭环控制方案对近壁面湍流边界层减阻的影响,主要采用单点法测量局部减阻量,同时用移动热线测量不同控制条件下湍流边界层特性曲线,定量分析各个速度统计量,最后利用流动显示技术对控制前后的湍流结构进行观察,从不同角度解释湍流边界层减阻背后的物理机理。实验结果表明,控制工况下,流向速度曲线斜率值下降,线性区显著延长,近壁面rms值显著下降,近壁面猝发强度降低,表明近壁面拟序结构受到显著抑制。以上物理量的上升或下降趋势,与各个控制方法取得的减阻量基本一致。流动显示结果表明,控制条件下的大尺度涡结构转化成小尺度结构,条带结构沿流向和展向分布更加均匀。实验结果还揭示了狭缝吹气减阻的基本原理。狭缝吹气对近壁面湍流边界层造成两部分影响,一部分是由于低速流体的注入,造成流动结构的抬升,降低了流向速度梯度,进而实现减阻;另一部分是由于降低了高阻力区的能量实现减阻。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 研究的目的及意义
•     1.1.3 湍流边界层减阻机理
•     1.1.4 湍流边界层控制技术
•   1.2 本文主要研究内容
• 第2章 实验装置设计及开环控制
•   2.1 引言
•   2.2 实验主要设备
•     2.2.1 风洞
•     2.2.2 平板
•     2.2.3 剪切力传感器
•     2.2.4 热线风速仪
•     2.2.5 毕托管风速仪
•     2.2.6 dSPACE实时控制系统
•   2.3 实验装置与激励器设计
•     2.3.1 实验装置
•     2.3.2 激励器
•     2.3.3 湍流边界层的特征参数
•     2.3.4 壁面剪切应力的估算
•   2.4 恒温热线风速仪温度修正
•   2.5低风速实验
•     2.5.1 实验装置
•     2.5.2 热线标定
•     2.5.3 湍流边界层曲线
•   2.6 湍流边界层开环减阻研究成果
•     2.6.1 开环减阻实验分析
•     2.6.2 减阻恢复区讨论
•     2.6.3 开环控制平均净减阻量的计算
•   2.7 本章小结
• 第3章 闭环控制系统设计
•   3.1 引言
•   3.2 前馈控制方案及闭环控制系统
•     3.2.1 前馈控制方案
•     3.2.2 建立预测函数
•     3.2.3 下游速度信号滤波
•     3.2.4 激励器延时
•   3.3 本章小结
• 第4章 湍流边界层闭环控制实验研究
•   4.1 引言
•   4.2 闭环控制技术及减阻效果
•     4.2.1 前馈控制技术
•     4.2.2 最优迟滞时间
•     4.2.3 各种控制策略的减阻效果
•     4.2.4 复合控制（前馈与反馈结合）减阻效果
•   4.3 本章小结
• 第5章 湍流边界层减阻的物理机理研究
•   5.1 引言
•   5.2 边界层特性曲线
•   5.3 湍流边界层的速度能谱图分析
•   5.4 烟线流动显示结果
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 章彪

导师: 周裕

关键词: 湍流边界层,闭环控制,流向狭缝吹气技术,减阻,物理机理

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金重点项目——湍流边界层主动减阻及机理研究(项目批准号:11632006)

分类号: O357.5

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002838

总页数: 62

文件大小: 2564K

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