基于壁面压力脉动的湍流边界层闭环减阻控制

发布时间：2020-08-28 12:11

　　降低壁面摩擦阻力在实际工程应用中有重要作用并且能产生巨大价值。飞机、汽车等交通工具在高速运动时会在机体表面与空气产生摩擦阻力,摩擦阻力的存在一方面会产生大量的热并损坏机体表面,另一方面会造成燃料的消耗上升。由于这些摩擦阻力的存在,主动控制降低壁面摩擦阻力是实验流体动力学的重要方向。近壁面处的湍流边界层是产生这些壁面摩擦阻力的主要来源,因此减小湍流边界层生成的壁面摩擦阻力越来越引起重视。湍流边界层的减阻控制有主动控制和被动控制两种方式。由于被动控制所能产生的减阻效果是非常局限的。而主动控制方式是在边界层流体结构的基础上更加有效的抑制边界层内壁面摩擦力的产生,因此主动控制成为湍流边界层减阻控制的主流控制方式。主动控制又分为开环式控制和闭环式控制。其中,开环控制在湍流边界层减阻控制的研究过程中已经得到很多专家学者的研究,闭环控制尤其是基于壁面压力信号的闭环控制尚未有较为成功的案例。因此,基于壁面压力脉动的闭环控制系统值得去研究。本课题主要研究湍流中壁面压力变化与近壁面摩擦阻力的关系,以及基于壁面压力信号搭建了一个利用等离子激励器作为执行机构的湍流边界层闭环减阻控制系统。在湍流边界层研究领域中,关于近壁面处流场结构中的流速变化与湍流结构的发展之间的关系的研究已经日趋成熟。但是,关于湍流中壁面压力的相关研究却还尚需发展。本课题通过一支参考麦克风准确的测量了壁面压力的变化情况,并且通过数据处理分析壁面压力信号变化与猝发现象的关系,以及壁面压力信号与不同处流向速度的相关性,验证了壁面压力信号的脉动变化与湍流边界层内阻力的主要产生机制有很强的一致性。本课题在对壁面压力信号研究的基础上搭建了湍流边界层闭环控制系统。闭环控制系统采用PD前馈控制方案,以壁面压力信号作为系统输入信号,等离子激励器作为控制系统执行机构。通过热线测量控制系统的减阻情况。实验研究表明,壁面压力的脉动变化能够反映湍流边界层近壁面处的流场发展情况,因此也能够作为表征湍流边界层流场结构变化的重要参数。对比研究了250mm DBD等离子激励器在开环系统下的减阻效果。在此基础上对比研究了基于壁面压力测量的闭环控制系统的减阻情况。实验结果表明,在基于壁面压力脉动建立的PD前馈减阻控制系统中,通过合理的设定比例系数和微分系数,能够产生接近开环最优情况下的减阻效果,并且能够提高20%等离子激励器的控制效率。PD前馈控制能够根据流场结构对壁面压力产生的影响,改变等离子激励器的激励电压,从而能更有针对性且更有效的抑制湍流边界层内摩擦阻力的产生。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O357.5
【部分图文】：

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【参考文献】