基于等离子体激励器控制湍流边界层减阻的参数优化研究

发布时间：2020-03-25 02:38

【摘要】：存在于飞机、汽车、船舶等运动物体周围的湍流边界层是摩擦阻力产生的主要原因,而壁面相干结构是湍流能量产生的直接原因,因此,有效控制湍流边界层内相干结构是减小摩擦阻力的重要途径。本文利用介质阻挡放电(DBD)等离子体激励器控制湍流边界层减阻实验研究,通过优化激励器的各参数获得最佳减阻率。本文对等离子体激励器的几何参数和激励信号参数进行优化以取得更高减阻率。实验在风洞中进行,来流速度U∞=2.4 m/s。利用热线风速仪在距DBD等离子体激励器尾部下游25 mm处测量控制前后的流向速度脉动,以计算各控制参数下的减阻率,利用高压探头与电流探头测量激励器的功率消耗以比较非稳态激励下的控制效率,并且采用烟线流动显示技术在距离壁面高y+=21处拍摄与壁面平行的平面内流体结构的变化。另外,根据热线测得湍流边界层内的速度信号,研究控制前后流向速度U的统计量分布和近壁面猝发频率的变化。研究结果证明稳态激励下的最佳控制参数为介质层厚度Th=0.14 mm,电极长度L=300 mm,激励电压E=6 k Vp-p,放电间距D=60 mm,并且取得了目前为止最佳平均减阻率(35)cf=24%。对于非稳态激励控制,随着脉冲频率fp的增大,平均减阻率逐渐减小,但当fp≥100 Hz时,流向涡的形态趋于稳定,对边界层的控制效果不再发生变化,减阻率保持不变。而非稳态的占空比起着主导作用,且电压E=7.4 k Vp-p,脉冲频率fp=50Hz,占空比DC=50%时的控制效率(减阻率与功耗比值)|?(81)?????|/P最高为0.018。通过计算近壁面处控制前后猝发频率fb+的变化,发现控制后的fb+明显减小且稳态激励下fb+减小的幅值大于非稳态情况,说明控制后的低速条带较为稳定,湍流事件得到抑制且稳态减阻效果更加显著。流显结果表明,稳态激励器诱导的反向流向涡对强烈的上洗作用能够稳定低速条带并使其向激励器对中间靠拢,最终形成一条狭长的低速条带群,较低的流速促使可观的减阻率。非稳态控制后的低速条带因占空比的影响不断聚拢与分散,形成连续的“波浪式”低速条带群,此现象表明非稳态下的平均减阻率达不到稳态最佳情况,只有稳定的流向涡才能有效抑制近壁面的湍流事件。
【图文】：

自二十世纪中叶，，Corrsin 和 Kistler[4]利用实验与理论推导的方法发现切变湍流边界层中存在着间歇性特征，由此引导人们继续对湍流边界层的发展过程进行深入的研究，经过大量实验研究，人们发现在湍流内存在着一些三维流体结构，随着时间的推移，总存在着一些远大于当地最小流体结构尺度的结构，这些流体结构中至少有某一变量（速度，密度，温度等）是与其自身或其余变量有着高度相关性的[5]，通俗地讲，湍流边界层内除了存在一些小尺度的涡结构做无规则运动外，还有着一些有序的做重复性运动的大尺度结构，这些结构称为相干结构（拟序结构）。相干结构的发现为近现代湍流理论的发展提供了重大突破口。同时也间接表明，对湍流边界层的控制就是研究如何扰乱湍流内的这些大尺度相干结构，为湍流控制的发展开辟了一条新道路。自人们认识到湍流边界层的相干结构，经过十年的研究积累，流动显示技术、激光多普勒测速仪（LDV）以及一些高端前沿流体测量技术的出现与广泛应用，使得人们对湍流边界层的内部结构有了更深一步的认识。20 世纪 80 年代开始，粒子图像测速仪（PIV）和直接数值模拟（DNS）技术的快速发展，大大方便了人们对湍流边界层内分层结构特性以及流场信息的总体性把握。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O533

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本文编号：2599259