振动壁面流动控制方法的数值研究

发布时间：2017-06-22 21:06

  本文关键词：振动壁面流动控制方法的数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来随着航空器研制的需要和流动控制技术本身的进步,人们越来越注重在各种内流、外流航空流体机械中发展和利用流动控制技术。壁面振动流动控制方法因为其相对于已出现的周期性吹吸气、合成射流等对附面层注入动量的控制方法,具有无外接气路、结构重量轻、控制分离潜力大等优点从而越来越受到人们的青睐。本文基于振动壁面流动控制方法的数值模拟,引入了离散数据的李雅普诺夫指数分析方法和本征正交分解分析方法,开展了非定常激励控制扩压通道流动分离的研究工作,主要工作有:1、采用大涡模拟数值方法模拟扩压通道中的流动分离问题,并且在分离点附近安置一段振动边界,采用动网格技术模拟壁面的振动过程,动网格采用弹簧光顺模型,并且和流场联合求解,模拟了振动壁面与流场中涡系结构相互作用的过程,得到了该作用下扩压通道内的流场结构。2、由于大尺度扩压通道内非定常流动结构复杂,以至于难以直接分析,本文引入了本征正交分解方法(POD)来分析非定常流场,利用POD方法将通道内不同尺度的涡系结构剥离开单独分析,从而有针对性的研究对分离起主要作用的大尺度涡系结构。3、数值模拟了无控流场通道内的内流特性,并且采用POD方法对其结果进行了研究,结果表明:一阶模态与其他各阶模态有着本质上的区别,比其他各阶模态起码高了一个数量级;二、三阶模态反映了通道中的大尺度脉动结构,其周期性也与主要分离涡较为接近;流场中的能量主要集中在低阶模态中,通过对低阶模态的分析就能有针对性的研究扩压通道流场的流动特性。4、研究了频率对流动控制效果的影响,在振动频率接近分离涡主频时,流场主频的幅值远大于无控情况,该控制下流场的频谱特性有了明显的改善。POD分解后,对能谱的研究表明,合理的振动频率能够使分离涡的能量向平均流能量转移,从整体上削弱了高阶模态所占的能量,压制了通道内高阶模态对应的复杂流动结构,以达到抑制流动分离的目的。5、研究了不同振幅对流场结构的影响,随着振幅变大,通道内的相对总压损失系数先降低后增大,表明振幅存在一个最佳值使流场的总压损失最小。对不同振幅下流场POD分解后的结果表明过大的振幅虽然会起到削弱高阶模态的作用,但是同样会扰乱平均流,促使一部分平均流的能量转化为脉动能量。6、引入混沌学中的Lyapunov指数来分析非定常流场。通过Takens延迟嵌入定理进行相空间重构,用C-C算法估算时间延迟,最后采用Wolf方法计算最大Lyapunov指数。并用经典的虫口模型来验证计算程序的准确性,在此基础上分析了流场中监测点的静压脉动的时间序列。
【关键词】：非定常流动控制 振动壁面 流动分离 李雅普诺夫指数 本征正交分解
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214;TB535
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 流动控制技术的分类及国内外研究现状15-22
• 1.2.1 被动控制技术15-16
• 1.2.2 定常控制技术16-17
• 1.2.3 非定常控制技术17-22
• 1.3 基于POD方法分析流场结构的研究22-24
• 1.4 混沌学及李雅普诺夫分析方法介绍24-26
• 1.5 本文的研究内容26-27
• 1.5.1 振动壁面流动控制方法的数值模拟26
• 1.5.2 振动壁面流动控制方法的POD分析26
• 1.5.3 监测点静压脉动的Lyapunov指数分析26-27
• 第二章 物理模型与数值方法27-31
• 2.1 数值模拟工具27-28
• 2.2 大涡模拟28
• 2.3 计算网格与数值模型介绍28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 无控流场的非定常计算及分析31-43
• 3.1 分离位置的判定31-35
• 3.2 分离涡主频的捕捉35-36
• 3.3 分离涡尺度的判定36-38
• 3.4 无控流场的POD分析38-41
• 3.4.1 空间特性39-40
• 3.4.2 能量特性40
• 3.4.3 时间特性40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 振动参数对振动壁面控制分离的影响及其分析43-60
• 4.1 频率对流动控制效果分析43-56
• 4.1.1 振动频率对流场结构的影响分析45-51
• 4.1.2 振动频率对流场影响的POD分析51-56
• 4.2 振幅对流动控制效果分析56-59
• 4.2.1 振幅对流场的影响分析56-58
• 4.2.2 振幅对流场影响的POD分析58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 流场信息的时间序列分析60-68
• 5.1 Lyapunov指数的计算方法61-64
• 5.1.1 相空间重构62
• 5.1.2 最佳嵌入维度和嵌入时间62-63
• 5.1.3 wolf方法介绍63-64
• 5.2 计算程序的校验64-65
• 5.3 流场中压力脉动的时间序列分析65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-71
• 6.1 本文的主要工作与结论68-69
• 6.2 研究展望69-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 李应红;吴云;;等离子体流动控制技术研究进展[J];空军工程大学学报(自然科学版);2012年03期

2 黄乐萍;范宝春;董刚;;槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究[J];南京理工大学学报(自然科学版);2010年03期

3 李应红;吴云;张朴;苏长兵;宋慧敏;;等离子体激励抑制翼型失速分离的实验研究[J];空气动力学学报;2008年03期

4 郭明;郑晓宇;周盛;李秋实;;BVF在吹气控制压气机叶栅分离流中的应用[J];航空动力学报;2008年08期

5 弓志强;陆亚钧;葛敬东;;环形扩压叶栅流动非定常控制方法的PIV研究[J];航空动力学报;2006年03期

6 郑新前,侯安平,周盛;二维扩压叶栅非定常分离流控制途径探索[J];力学学报;2003年05期

7 邱亚希,葛敬东,周海,陆亚钧;环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究[J];流体力学实验与测量;2003年01期

  本文关键词：振动壁面流动控制方法的数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：473064