湍流边界层闭环控制减阻系统及机理研究

发布时间：2021-01-14 21:59

　　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... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：121 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

不同雷诺数（Re）下的管道湍流中各流动区域分布[16]Fig.1-1DistributionoftheflowregionsintheturbulentchannelflowunderdifferentReynoldsnumbers(Re)[16]

由上述条带产生机理可知，高速条带与低速条带在近壁面区呈现间隔分布的特征。图1-3中列出了在不同实际流场中的湍流边界层之内的准流向涡尺寸及频率分布特点：在同一种工质中，随着雷诺数增加，准流向涡的频率增高，尺寸减小。- 4 -

1.2.3近壁面湍流自维持效应图1-4中的近壁面自维持效应揭示了湍流中两个重要的因素（即条带结构与涡结构）在壁面区域的动力学演化过程[33]。湍流自维持效应通过流场不稳定性自发形成准流向涡，独立于外部流场，其基本过程如下：1.准流向涡通过‘上抛’和‘下扫’分别产生低速条带和高速条带。在这个过程中，条带结构强度与准流向涡强度成线性关系。2.低速条带在往下游发展的过程中逐渐抬升，通过非线性的猝发过程产生失稳及破损。3.条带破碎过程产生剧烈的流向扰动，然后促使准流向涡再生。‘条带-准流向涡’相互产生的循环过程会稳定存在于充分发展的湍流边界层的近壁面区之中，被称为近壁面湍流自维持效应。‘条带-准流向涡’自维持循环过程是壁面湍流及壁面摩擦阻力产生的主要原因。因此，现有的湍流边界层减阻控制技术都是通过削弱壁面自维持效应来抑制湍流，实现流体流动的层流化，达到降低壁面摩擦阻力的目标。目前降低湍流壁面摩擦阻力的基本思路有三种[34]：消除条带

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于路况识别的高速动车组构架损伤规律[J]. 张一喆,李强,薛海,胡伟钢,周平宇,邹晓龙.  机械工程学报. 2018(08)



本文编号：2977631