翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力),可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法,对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明,对于一定攻角的翼型,电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时,可以抑制分离,消除涡街,其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时,可在流场中形成大涡组成的涡街,增强流体的混合能力,其效果与增大攻角类似. 关键词： 电磁力 翼型绕流 流体控制     

翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力)，可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法，对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明，对于一定攻角的翼型，电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时，可以抑制分离，消除涡街，其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时，可在流场中形成大涡组成的涡街，增强流体的混合能力，其效果与增大攻角类似.     

二维翼型跨音速绕流的数值模拟

本文结合高精度TVD格式的数值通量和时间进展多步法给出了一种求解定常流问题的数值方法。同时给出一些特殊处理来加快数值解的收敛速度。本文用以上方法计算了翼型跨音速绕流问题,结果表明此方法具有分辨率高,收敛速度较快之性质。     

低Reynolds数翼型绕流主动控制技术

在低Reynolds数条件下,翼型绕流的上表面边界层由于抗逆压梯度能力变差容易发生流动分离,从而形成长层流分离泡.分离泡通常是非定常的,会诱发边界层的转捩、再附并形成湍流边界层.这个过程会使翼型的气动性能急剧下降,并伴随着强非线性效应.转捩后形成的湍流边界层也会产生高摩擦阻力.针对这种现象,文章以NACA0012翼型为例,通过隐式大涡模拟研究了有效的主动控制方案.为了统一分离控制技术和湍流边界层减阻技术,研究了在平板或槽道湍流中取得较好控制效果的壁面垂向反向控制方案.首先利用隐式大涡模拟研究了低Reynolds数条件下NACA0012翼型绕流的流场特征.其次分析并验证了反向控制方案在分离区控制流场的可行性,发现反向控制在分离区的作用相当于基于流场信息的壁面抽吸控制,且控制具有实时性和高效性,控制抽吸了前缘的低能流体,使得翼型前缘附面层变薄,并增强了其抗逆压梯度的能力,较大程度提高了翼型的气动性能.最后在湍流边界层验证了其减阻控制效果,发现反向控制阻断了流向涡的法向输运,抑制了涡结构的发展,并减弱了猝发过程,使得湍流的高摩阻力得到了有效降低.      

涡发生器结构对翼型绕流场的影响

为了研究涡发生器在风力机叶片上的应用,以进一步提高风力机气动效率,本文采用CFD数值模拟方法,分析涡发生器几何形状对其绕流场和翼型边界层特性的影响.涡发生器几何形状为同样高度的矩形、梯形和三角形。翼型为风力机专用翼型DU97-W-300。首先对数值模拟结果与实验值进行了对比,验证了数值方法的可信性。然后详细讨论了各种涡发生器所产生的集中涡涡量、翼型边界层特性、以及绕流场等沿流向的发展演变。总体上看,三角形涡发生器较适合用于风力机翼型的流动控制。     

神经网络对于翼型绕流流场的重构

本文试图通过神经网络重构二维低雷诺数翼型绕流非定常流场.首先通过局部径向基函数(LRBF)求解器求解不可压缩流动控制方程得到计算域内流场信息,然后随机选取一些时空域内的数据点(包含位置信息和速度信息)作为训练数据代入神经网络进行训练.先学习训练得到流动的雷诺数后进行流场的重构,并与LRBF求解器得到的数值结果进行对比....     

实数型格子气模型及方柱绕流的模拟

在4Bits的HPP格子气模型基础上提出了用实数表示节点每一速度方向的粒产密度的实数型HPP模型,建立了粒子碰撞的运算关系式(代替碰撞规则),用此方法对方柱绕流问题进行了计算并介绍了边界条件的处理方法,计算结果较好地反映了真实流动特性。     

电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究

提出了施加电磁力于边界层实现流动控制和降低水动力噪声的方法。对未施加与施加电磁力后翼型模型的流场与声场进行数值计算,结果表明:流向电磁力可延缓翼型表面的流动分离,抑制离散小涡生成,减弱翼型表面的湍流脉动压力,达到降低水动力噪声的目的。归纳了电磁力降低水动力噪声效果随雷诺数、攻角和电磁作用参数的变化规律,同时在循环水槽中对电磁力控制翼型水动力噪声的效果进行试验验证。由于转捩区是翼型模型的压力最小区域且面积非常有限,通过研究电磁力的作用方式,发现只在转捩区施加电磁力,即可达到最佳的降噪效果且减小了功耗,并分析了磁泄露带来的影响。研究结果为抑制翼型的水动力噪声提供了一种新的思路。     

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

为了研究局部凸起对边界层转捩的影响,采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响,对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明:当来流Reynolds数处于临界区时,气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡,之后随着θ的增大,发生了流动分离和流动转捩现象;对于不同Reynolds数下的来流,圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前;圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低,从而导致圆柱产生升力,随着来流Reynolds数的增大,其升力逐渐变大.      

Flow pattern and lift evolution of hydrofoil with control of electro-magnetic forces

The initial responses and evolutions of the flow pattern and lift coefficient of a hydrofoil under the action of electro-magnetic (Lorentz) force have been studied experimentally and numerically, and trace particle methods are employed for them. With the introduction of BVF (boundary vortex flux), the quantitative relation among Lorentz forces, BVF and lifts is deduced. The influences of flow patterns on the hydrofoil lift coefficient have been discussed based on the BVF distribution, and the flow control mechanism of Lorentz force for a hydrofoil has been elucidated. Our results show that the flow pattern and lift of the hydrofoil vary periodically without any force. However, with the action of streamwise Lorentz forces, the separation point on the hydrofoil surface moves backward with a certain velocity, which makes the flow field steady finally. The streamwise Lorentz force raises the foil lift due to the increase of BVF intensity. On the other hand, Lorentz force also increases the hydrofoil surface pressure, which makes the lift decrease. However, the factor leading to the lift enhancement is determinant, therefore, the Lorentz force on the suction side can increase the lift, and the stronger the Lorentz force, the larger the lift enhancement. Our results also show that the localized Lorentz force can also both suppress the flow separation and increase the hydrofoil lift coefficient, furthermore, the Lorentz force located on the tail acts better than that located on the front.     

Drag reduction in turbulent channel flow using bidirectional wavy Lorentz force

Turbulent control and drag reduction in a channel flow via a bidirectional traveling wave induced by spanwise oscillating Lorentz force have been investigated in the paper. The results based on the direct numerical simulation (DNS) indicate that the bidirectional wavy Lorentz force with appropriate control parameters can result in a regular decline of near-wall streaks and vortex structures with respect to the flow direction, leading to the effective suppression of turbulence generation and significant reduction in skin-friction drag. In addition, experiments are carried out in a water tunnel via electro-magnetic (EM) actuators designed to produce the bidirectional traveling wave excitation as described in calculations. As a result, the actual substantial drag reduction is realized successfully in these experiments.     

Mechanism of controlling turbulent channel flow with the effect of spanwise Lorentz force distribution

A direct numerical simulation(DNS) is performed to investigate the control effect and mechanism of turbulent channel flow with the distribution of spanwise Lorentz force. A sinusoidal distribution of constant spanwise Lorentz force is selected, of which the control effects, such as flow characters, mean Reynolds stress, and drag reductions, at different parameters of amplitude A and wave number k_x are discussed. The results indicate that the control effects vary with the parameter A and k_x. With the increase of A, the drag reduction rate D_r first increases and then decreases rapidly at low k_x,and slowly at high k_x. The low drag reduction(or even drag increase) is due to a weak suppression or even the enhancements of the random velocity fluctuation and mean Reynolds stress. The efficient drag reduction is due to the quasi-streamwise vortex structure induced by Lorentz force, which contributes to suppressing the random velocity fluctuation and mean Reynolds stress, and the negative vorticity improves the distribution of streamwise velocity. Therefore, the optimal control effect with a drag reduction of up to 58% can be obtained.     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

洛伦兹力对自由燃烧弧和壁稳非转移弧流场的影响

通过耦合迭代求解流体力学方程和电磁场方程,数值模拟了转移式自由燃烧电弧和具有细长中间段及突扩阳极结构的壁稳式非转移直流电弧的流场,分析了洛伦兹力对这两种典型直流电弧流场的影响。结果显示：在自由燃烧电弧情况下,电流自感磁场的洛伦兹力对流场特性有显著影响,自磁压缩是约束电弧的主要机制;而在壁稳式非转移直流电弧情况下,相对于强壁面约束和气动力作用而言,洛伦兹力对流场的影响有限。特别在中间段出口以后,洛伦兹力与气动力的比值小于0.010,因此,当主要考虑壁稳式非转移直流电弧发生器出口参数时,为了提高数值模拟效率,可忽略洛伦兹力的作用。     

洛伦兹力对自由燃烧弧和壁稳非转移弧流场的影响

通过耦合迭代求解流体力学方程和电磁场方程,数值模拟了转移式自由燃烧电弧和具有细长中间段及突扩阳极结构的壁稳式非转移直流电弧的流场,分析了洛伦兹力对这两种典型直流电弧流场的影响。结果显示:在自由燃烧电弧情况下,电流自感磁场的洛伦兹力对流场特性有显著影响,自磁压缩是约束电弧的主要机制;而在壁稳式非转移直流电弧情况下,相对于强壁面约束和气动力作用而言,洛伦兹力对流场的影响有限。特别在中间段出口以后,洛伦兹力与气动力的比值小于0.010,因此,当主要考虑壁稳式非转移直流电弧发生器出口参数时,为了提高数值模拟效率,可忽略洛伦兹力的作用。     

槽道湍流的展向振荡电磁力壁面减阻

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流的展向振荡电磁力的减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度和振荡频率对湍流猝发事件以及壁面减阻率的影响.结果表明,电磁力强度或振荡频率变化时,湍流猝发频率和猝发强度的变化趋势是相反的,所以存在最优参数使得减阻效果最好.等价壁面展向速度可以很好地描述电磁力强度和振荡频率的变化对减阻效果的综合效应。