湍流边界层闭环控制减阻系统及机理研究

论文摘要

湍流边界层存在于很多重要的工业生产和工程应用领域,例如:工程和工业管道内的水或空气流动,天然气管道内的输运过程,轮船、列车和飞机表面的流体流动等。湍流边界层在管道内壁和飞机（或列车）等运动物体表面产生巨大的壁面摩擦阻力,进而引起大量必要的能源消耗。湍流边界层减阻技术即使能够减少其中1%的壁面摩擦阻力,也将会产生巨大的社会价值和经济效益。本论文利用上、下游（或探测、监测）热线探针,dSPACE（数字空间）实时控制系统,传递函数,滤波系统和压电陶瓷振动片驱动器等组成了闭环控制减阻系统,以期提高壁面摩擦阻力的减阻效率。本论文利用全站仪测量了热线探针与壁面之间的微小垂向距离,之后利用平行双丝热线探针在湍流边界层之中测量了流向瞬时速度的垂向梯度,为壁面湍流耗散率的测量奠定了坚实的实验基础。在湍流边界层之中,双丝平行热线的间距位于（2～5）个Kolmogorov长度之内可以以足够的精度测量得到流向瞬时速度垂向梯度的值。本论文的研究结果还发现湍流边界层和槽道湍流之中的流向瞬时速度垂向梯度值在缓冲层之内存在显著的区别,揭示了二者流场中的大尺度拟序结构（例如:高/低速条带及发卡涡）具有一些显著不同的特征。本论文基于控制近壁面高阻力区的策略设计了前馈、反馈和前馈与反馈相结合等三种阈值触发减阻控制系统,为提高驱动器减阻系统的工作效率指明了一个研究方向。前馈、反馈和前馈与反馈相结合控制系统的最大局部壁面摩擦应力减阻量分别为24%,20%和28%,均小于开环控制系统的减阻量（30%）。然而,这三种闭环控制减阻系统的占空比分别为50%,50%和62%,远远小于开环控制系统的占空比（100%）。这个结果表明,阈值触发控制减阻系统显著地降低了输入的控制能量,提高了驱动器系统的壁面摩擦应力减阻效率。在上述工作的基础上,本论文构建了PD（Proportional-derivative）闭环控制系统来抑制湍流边界层近壁面区的高阻力区拟序结构,进一步提高了壁面摩擦应力的减阻量及减阻效率。本论文研究了前馈PD和反馈PD等两种控制系统的工作性能。前馈PD控制系统的壁面摩擦应力减阻量为33%,不但比开环控制系统的30%增加了3%,而且显著地超过了前馈与反馈相结合控制系统取得的28%的壁面减阻量。然而,前馈PD控制系统的输入能量比开环控制系统减少了27%,表明了前馈PD控制系统显著地提高了驱动器减阻系统的工作性能。反馈PD控制系统取得了与开环控制系统相同的工作性能,对应的壁面摩擦应力减阻量也为30%。本论文通过分析单丝移动热线探针,双丝热线探针,探测和监测热线探针的速度信号,研究了湍流边界层控制前、后流动结构的变化情况,从深层次揭示了近壁面区摩擦应力减阻的物理机理。以上结果表明,经典PD控制方法具有原理简单、参数较易调节和应用范围广泛等特点,将来可以用以设计各种壁面湍流主动控制减阻系统,实现显著地提高驱动器系统减阻效率的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•     1.1.1 课题背景
•     1.1.2 研究的目的和意义
•   1.2 湍流边界层及其相关拟序结构的理论研究概况
•     1.2.1 湍流边界层流向速度分布
•     1.2.2 拟序结构模型
•     1.2.3 近壁面湍流自维持效应
•   1.3 湍流边界层主动控制及研究
•     1.3.1 闭环控制系统数值模拟研究
•     1.3.2 闭环控制系统实验研究
•     1.3.3 PID闭环控制系统
•   1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 湍流边界层特征参数验证
•   2.1 引言
•   2.2 实验装置
•   2.3 热线探针与壁面之间的垂向距离
•     2.3.1 壁面热效应法
•     2.3.2 直接测量法
•   2.4 边界层参数验证
•   2.5 本章小结
• 第3章 湍流边界层中瞬时速度梯度的测量及分析
•   3.1 引言
•   3.2 实验测量垂向速度梯度的值
•     3.2.1 壁面区域测量结果
•     3.2.2 探针间距对相关系数的影响
•     3.2.3 固定探针间距测量垂向速度梯度值
•     3.2.4 垂向速度梯度的频谱图
•     3.2.5 垂向速度梯度与流向速度的互相关性
•     3.2.6 偏斜因子与平坦因子
•     3.2.7 垂向速度梯度与能量耗散率的分布特征
•   3.3 实验测量流向速度梯度的值
•   3.4 局部各向同性假设
•   3.5 本章小结
• 第4章 阈值触发闭环控制减阻系统
•   4.1 引言
•   4.2 实验装置
•     4.2.1 减阻驱动器
•     4.2.2 壁面热线探针
•     4.2.3 实时信号传输过程
•   4.3 阈值触发闭环控制系统
•     4.3.1 闭环控制系统设计
•     4.3.2 前馈控制预测模型
•     4.3.3 具体实施过程
•     4.3.4 驱动器响应过程
•   4.4 减阻系统控制结果
•     4.4.1 开环控制
•     4.4.2 前馈控制
•     4.4.3 反馈控制
•     4.4.4 前馈与反馈相结合控制
•   4.5 减阻物理机理
•     4.5.1 流向速度谱
•     4.5.2 湍流脉动及泰勒尺度
•     4.5.3 平均能量耗散率
•   4.6 本章小结
• 第5章 PD闭环控制减阻系统
•   5.1 引言
•   5.2 PD控制系统
•     5.2.1 前馈PD控制
•     5.2.2 反馈PD控制
•     5.2.3 驱动器响应过程
•   5.3 减阻系统控制结果
•     5.3.1 开环控制
•     5.3.2 前馈PD控制
•     5.3.3 反馈PD控制
•     5.3.4 雷诺数对前馈PD控制性能的影响
•   5.4 减阻物理机理
•     5.4.1 流向速度谱
•     5.4.2 抑制猝发
•     5.4.3 湍流脉动及湍流平均能量耗散率
•   5.5 PD闭环控制系统展望
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 乔增熙

导师: 周裕

关键词: 流体控制,拟序结构,湍流边界层,阈值控制系统,控制系统,壁面摩擦阻力减阻

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学,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;O328

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000126

总页数: 121

文件大小: 13350K

下载量: 196