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非定常流動及流動控制基礎 版權信息
- ISBN：9787030671882
- 條形碼：9787030671882 ; 978-7-03-067188-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
非定常流動及流動控制基礎 本書特色
適讀人群 ：航空航天、海洋、力學、土木等領域高年級本科生及研究生，廣大科技工作者和工程技術人員該書從非定常流體模型的早期理論出發，不僅概括了20世紀初至今的主要模型化手段，也深入介紹了**的非定常流體動力學降階技術，并對該技術的進一步發展做出展望
非定常流動及流動控制基礎 內容簡介
本書主要介紹非定常流動及其控制的研究方法和研究進展，包括非定常流動數值方法、經典非定常氣動力模型、非定常流場降階和氣動力降階建模、非定常空氣動力學實驗技術、生物運動中的非定常流動現象以及流動控制技術。本書從理論分析、數值計算與試驗技術三個方面介紹了非定常流動的優選研究手段，全面闡述了非定常流動在實際工程中的應用，具有前沿性、精細性、全面性和嚴謹性。 本書可作為航空航天、海洋、力學、土木等領域高年級本科生及研究生教材或參考書，同時也可供廣大科技工作者和工程技術人員參考。
非定常流動及流動控制基礎 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 非定常流動的相關概念 1
1.1.1 非定常流動的定義和內涵 1
1.1.2 非定常流動的無因次量 2
1.2 自然界和工程領域的非定常流動 3
1.2.1 俯仰振蕩時翼型上的氣動力 4
1.2.2 繞鈍體形成的卡門渦街 5
1.2.3 機翼的顫振 6
1.2.4 機翼的跨聲速抖振 7
1.3 非定常流體力學研究的總體思路 10
參考文獻 12
第2章 流體力學控制方程與非定常流動數值方法 14
2.1 流體力學控制方程及其簡化方程 14
2.2 基于勢流理論的非定常流動數值求解 19
2.2.1 控制方程簡化與非定常勢流計算 19
2.2.2 二維非定常渦板塊法 23
2.2.3 三維小擾動數值方程的數值方法 26
2.3 基于CFD的非定常流動數值求解 35
2.3.1 拉格朗日坐標系與歐拉坐標系 35
2.3.2 網格變形方法 38
2.3.3 幾何守恒律 41
2.3.4 時域推進方法 43
2.3.5 頻域諧波方法 47
2.3.6 時域配點方法 51
2.4 全局穩定性分析方法及應用 57
2.4.1 全局線性不穩定理論 58
2.4.2 全局穩定性分析算法 59
2.4.3 基于CFD的全局穩定性分析應用 61
2.5 二維離散渦方法 64
2.5.1 二維離散渦的算法實現 65
2.5.2 二維離散渦方法的工程應用 69
參考文獻 71
第3章 經典非定常氣動力模型 75
3.1 動導數 75
3.1.1 動導數概述 75
3.1.2 動導數的計算和試驗方法 77
3.1.3 動導數相關問題的物理解釋 86
3.1.4 動導數模型的應用范疇 90
3.2 經典二維非定常氣動力模型 98
3.2.1 格羅斯曼準定常模型 98
3.2.2 西奧道森非定常模型 102
3.2.3 階躍響應模型 107
3.2.4 活塞理論 110
3.2.5 二維氣動力模型的總結 113
3.3 頻域非定常氣動力的狀態空間擬合 117
3.3.1 狀態空間概述 117
3.3.2 非定常氣動力擬合方法 117
參考文獻 119
第4章 非定常流場降階和氣動力建模 122
4.1 非定常流場降階與氣動力建模的意義 122
4.2 基于系統辨識方法的氣動力建模技術 125
4.2.1 一階Volterra級數模型 125
4.2.2 ARX模型 129
4.2.3 RBF神經網絡模型 132
4.2.4 其他模型 140
4.3 基于流場特征提取的非定常流場降階 141
4.3.1 POD方法 141
4.3.2 DMD方法 143
4.3.3 POD方法和DMD方法的對比 149
4.3.4 改進模態選擇準則的DMD方法及其應用 155
參考文獻 167
第5章 非定常空氣動力學試驗 174
5.1 動態響應的測量 174
5.2 動態壓力測壓 180
5.3 流動顯示技術 187
參考文獻 192
第6章 生物運動中的非定常流動 194
6.1 昆蟲飛行的非定常流體力學問題 194
6.1.1 昆蟲的運動形式與相似參數 195
6.1.2 昆蟲飛行高升力的產生機理 196
6.1.3 機動飛行 199
6.2 鳥類飛行的非定常流體力學問題 199
6.2.1 鳥類的主要飛行模式 200
6.2.2 鳥類飛行的主要研究方法 201
6.2.3 鳥類飛行的非定常流動機理 202
6.3 魚類游動的非定常流體力學問題 204
6.3.1 魚類的主要游動模式 204
6.3.2 魚類游動的主要研究方法 205
6.3.3 魚類游動的非定常流動機理 207
參考文獻 211
第7章 流動控制基礎 213
7.1 流動控制概述 213
7.2 被動流動控制手段 215
7.3 主動流動控制手段 220
7.4 開環流動控制 236
7.5 閉環流動控制 248
7.5.1 基于CFD仿真的閉環控制 250
7.5.2 基于ROM的閉環控制律設計 257
參考文獻 268
前言
第1章 緒論 1
1.1 非定常流動的相關概念 1
1.1.1 非定常流動的定義和內涵 1
1.1.2 非定常流動的無因次量 2
1.2 自然界和工程領域的非定常流動 3
1.2.1 俯仰振蕩時翼型上的氣動力 4
1.2.2 繞鈍體形成的卡門渦街 5
1.2.3 機翼的顫振 6
1.2.4 機翼的跨聲速抖振 7
1.3 非定常流體力學研究的總體思路 10
參考文獻 12
第2章 流體力學控制方程與非定常流動數值方法 14
2.1 流體力學控制方程及其簡化方程 14
2.2 基于勢流理論的非定常流動數值求解 19
2.2.1 控制方程簡化與非定常勢流計算 19
2.2.2 二維非定常渦板塊法 23
2.2.3 三維小擾動數值方程的數值方法 26
2.3 基于CFD的非定常流動數值求解 35
2.3.1 拉格朗日坐標系與歐拉坐標系 35
2.3.2 網格變形方法 38
2.3.3 幾何守恒律 41
2.3.4 時域推進方法 43
2.3.5 頻域諧波方法 47
2.3.6 時域配點方法 51
2.4 全局穩定性分析方法及應用 57
2.4.1 全局線性不穩定理論 58
2.4.2 全局穩定性分析算法 59
2.4.3 基于CFD的全局穩定性分析應用 61
2.5 二維離散渦方法 64
2.5.1 二維離散渦的算法實現 65
2.5.2 二維離散渦方法的工程應用 69
參考文獻 71
第3章 經典非定常氣動力模型 75
3.1 動導數 75
3.1.1 動導數概述 75
3.1.2 動導數的計算和試驗方法 77
3.1.3 動導數相關問題的物理解釋 86
3.1.4 動導數模型的應用范疇 90
3.2 經典二維非定常氣動力模型 98
3.2.1 格羅斯曼準定常模型 98
3.2.2 西奧道森非定常模型 102
3.2.3 階躍響應模型 107
3.2.4 活塞理論 110
3.2.5 二維氣動力模型的總結 113
3.3 頻域非定常氣動力的狀態空間擬合 117
3.3.1 狀態空間概述 117
3.3.2 非定常氣動力擬合方法 117
參考文獻 119
第4章 非定常流場降階和氣動力建模 122
4.1 非定常流場降階與氣動力建模的意義 122
4.2 基于系統辨識方法的氣動力建模技術 125
4.2.1 一階Volterra級數模型 125
4.2.2 ARX模型 129
4.2.3 RBF神經網絡模型 132
4.2.4 其他模型 140
4.3 基于流場特征提取的非定常流場降階 141
4.3.1 POD方法 141
4.3.2 DMD方法 143
4.3.3 POD方法和DMD方法的對比 149
4.3.4 改進模態選擇準則的DMD方法及其應用 155
參考文獻 167
第5章 非定常空氣動力學試驗 174
5.1 動態響應的測量 174
5.2 動態壓力測壓 180
5.3 流動顯示技術 187
參考文獻 192
第6章 生物運動中的非定常流動 194
6.1 昆蟲飛行的非定常流體力學問題 194
6.1.1 昆蟲的運動形式與相似參數 195
6.1.2 昆蟲飛行高升力的產生機理 196
6.1.3 機動飛行 199
6.2 鳥類飛行的非定常流體力學問題 199
6.2.1 鳥類的主要飛行模式 200
6.2.2 鳥類飛行的主要研究方法 201
6.2.3 鳥類飛行的非定常流動機理 202
6.3 魚類游動的非定常流體力學問題 204
6.3.1 魚類的主要游動模式 204
6.3.2 魚類游動的主要研究方法 205
6.3.3 魚類游動的非定常流動機理 207
參考文獻 211
第7章 流動控制基礎 213
7.1 流動控制概述 213
7.2 被動流動控制手段 215
7.3 主動流動控制手段 220
7.4 開環流動控制 236
7.5 閉環流動控制 248
7.5.1 基于CFD仿真的閉環控制 250
7.5.2 基于ROM的閉環控制律設計 257
參考文獻 268
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非定常流動及流動控制基礎 節選
第1章 緒論 1.1 非定常流動的相關概念 1.1.1 非定常流動的定義和內涵 非定常流體力學研究與時間相關的流動問題。其比定常問題多了一個自變量，因此流場不僅依賴當前的流動狀態和邊界條件，還依賴前一段時間的流動變化歷程。 給定坐標系下，若空間中每個位置的流動參數都不隨時間變化，也就是說，流場僅僅是空間坐標的函數，而與時間無關，這種流動被稱為定常流動，對應的流場被稱為定常流場。反之，則為非定常流動和非定常流場。設流動參數為，對于非定常流動，不等于零。如果B是矢量，其大小或方向隨時間變化，流動就是非定常的。 然而，流動的定常和非定常屬性并不完全由流動的自身特點決定，還和所選的坐標系相關。選擇合適的坐標系可以將一些簡單的非定常流動轉化為定常流動，進而降低流場分析的難度。因此，只要有可能，就應當將非定常問題轉化為定常問題來研究。例如，以地面為參照系，飛機平直飛行掃略后的流場顯然是一個非定常流場。但當坐標系固聯于飛機時，上述非定常流動將變成均勻來流繞過靜止的飛行器，飛行器周圍的流動因受到擾動而發生變化。當迎角不大時，在隨體坐標系下，流動僅與空間坐標(與飛行器的相對位置)相關，與時間無關，這樣流動又轉化為一個定常問題。其實，風洞試驗就是通過這樣的坐標變換來模擬和簡化真實飛行器的繞流。另外一個典型的例子是旋轉機械的繞流問題。例如，在地面坐標系下觀察懸停的直升機槳葉、定速旋轉的風扇/葉片，流動是非定常的，而選擇固聯于槳葉/風扇/葉片的旋轉坐標系時，觀察到的流動又變為定常流動。但由于旋轉坐標系為非慣性坐標系，在方程的推導和受力分析中會多出額外的慣性力。上述兩個轉化的例子僅對較簡單的非定常問題可行，對于飛機機動飛行的流場、直升機槳葉前飛的繞流、考慮機身干擾效應的槳葉繞流、風扇/葉片的加速旋轉繞流等非定常問題，無法通過坐標系的變換實現非定常流場向定常流場的變換。 非定常流動，顧名思義，指空間中的流場隨時間發生變化。那么，哪些因素會導致這種非定常效應呢？任一流動都是由控制方程、邊界條件和初始條件決定的。因此，非定常流動的**個誘因就是時變的邊界條件。例如，飛行器的機動飛行、鳥類的飛行、彈性機翼的振蕩、舵面運動、噴流控制、來流的突風、外掛物分離等問題。另外，很多定常流動建立初期的過程仍然是非定常的，如繞翼型流動的啟動渦問題。顯然，若研究啟動渦的發展過程，研究對象必然是非定常的，這種非定常流動是初始效應造成的。但當時間足夠長時，繞翼型的流動又會趨于穩定。是不是在時不變的邊界條件下和足夠消除初始效應的時間歷程之后，非定常流動就能夠變為定常流動呢？回答是否定的。造成流動非定常的另外一個因素就是流動本身的穩定性。也就是說在固定的邊界條件下，流動本身是不穩定的(流動的穩定性與邊界條件和流動參數相關)，如繞靜止圓柱的卡門渦街、跨聲速抖振、大迎角三角翼繞流的渦核破裂、從層流到湍流的轉捩等現象，都是流動失穩造成的。當然，存在外體力，如等離子體、磁流體等流動控制問題，或存在能量的注入，如加熱的鍋爐，一樣會導致流動的非定常現象。可以說自然界中和工程問題中絕對的定常流動是極少的案例，涉及湍流層面，在微觀尺度就不存在絕對的定常問題。另外，實際工程中的很多非定常問題通常還是由多種因素共同作用的結果，如彈性飛行器大迎角/跨聲速飛行中面臨的非定常問題，風工程中大跨度橋梁和高層建筑振動的非定常繞流問題，鳥類/昆蟲/魚類的機動過程等。這些問題中的非定常流動通常還與結構/控制等問題耦合，加劇了研究的復雜性。 正如上文所述，流動失穩是造成非定常現象的重要因素。流動的穩定性問題是流體力學中非常經典而且熱門的研究課題，按照現象的差別和誘發機理的不同有多種分類方法。根據擾動的發展情況，流動的穩定性可分為漸進穩定、中性穩定和不穩定。流動的不穩定根據誘發機理的不同可分為Rayleight- Taylor(R-T)不穩定和Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩定；根據擾動的時空演化特性不同，可分為對流不穩定和絕對不穩定。對流不穩定表現為擾動的增長只向下游傳播，而絕對不穩定表現為擾動的增長既向下游又向上游傳播。關于流動穩定性的詳細研究可參考尹協遠和孫德軍著的《旋渦流動的穩定性》[1]。 1.1.2 非定常流動的無因次量 無因次量也稱無量綱量，是流體力學中的一類重要參量，深刻反映了流動現象的本質特征。在定常空氣動力學中有一些大家熟悉的無量綱量，如表征流動壓縮性的馬赫數Ma，表征流體黏性力與慣性力之比的雷諾數Re，升阻力及力矩系數等在學習和理解定常空氣動力學時發揮著巨大作用。特別是在空氣動力學試驗中，一般要求流動的相似參數保持一致，從而將風洞試驗與真實流動相統一，其中相似參數就是上述的無量綱量。 非定常流動相對定常流動更加生動復雜，為總結其規律，非定常流動中也出現了許多重要的無量綱量，這里簡要介紹以下幾種：無因次時間、減縮頻率、折減風速、斯特勞哈爾數。 (1) 無因次時間，一般用表示，其中，V為來流速度；t為物理時間；b為特征長度的一半。無因次時間代表單位時間內流體以來流速度流過的距離與結構半特征長度的比值。 (2) 減縮頻率，也稱無因次頻率或折減頻率，一般用k表示，其中，ω為物體振動的圓頻率。在非定常流動中，減縮頻率是一個很重要的無量綱量，標志了非定常動力過程的強度，減縮頻率越大，則非定常效應越明顯，反之越弱。 (3) 折減風速，一般用Uk表示，其中，U為來流速度；B為特征長度。從定義式可以看出，折減風速與減縮頻率呈倒數關系，物理含義在本質上是相同的，折減風速在風工程領域的應用較多。 (4) 斯特勞哈爾數，又稱無量綱頻率，一般用Sr表示，其中，f為有量綱的運動頻率，對于流動失穩問題，對應失穩的流動頻率；對于強迫運動問題，則對應運動頻率。l為特征長度，有時對應結構的特征尺度，如直徑或弦長等，有時也對應結構運動的幅度等。在非定常空氣動力試驗中，斯特勞哈爾數是表征流動非定常性的相似準則。 應當注意，在航空、風工程和蟲鳥魚類運動等不同領域的具體問題中，非定常無量綱量的定義與選取可能各有不同。為了方便讀者理解和學習，本書中涉及的無量綱量將在具體的地方單獨定義。 1.2 自然界和工程領域的非定常流動 自然界中很多現象涉及非定常流動，如紅旗的隨風飄揚、風吹空穴發出的嗚嗚聲、鳥兒的翱翔、蝴蝶的飛舞和魚兒的嬉戲等，這些自然現象都與非定常流動密不可分。生活中，人們利用簧片的振動使口琴發音，利用空氣柱共鳴使笛子發音，這些流固聲耦合問題也與非定常流動密不可分。另外，航空工程中涉及很多非定常流動問題，如流動的動態分離、失速，漩渦的脫落或破裂，還有流固耦合的顫振、陣風響應和抖振等問題。風工程領域中，很多建筑和橋梁是非流線型的，流動的分離造成的非定常現象司空見慣，流固耦合導致的很多風致振動顯然與流動的非定常特性密不可分。海洋工程中，深海鉆井平臺在洋流的作用下會發生渦致振動，與此同時，液體在管道內的輸運也會發生管道激振，這些現象的背后有著復雜的非定常流動與流固耦合機理。下面以工程中典型的非定常流動為例，簡要介紹非定常流動。 1.2.1 俯仰振蕩時翼型上的氣動力 在定常勢流理論下，作用于翼型上的氣動載荷與迎角成正比，即當翼型作緩慢俯仰運動時(可視為定常擾流)，翼型的升力系數與力矩系數將與迎角呈線性關系，也就是說，迎角-升力和迎角-力矩曲線將是一條直線段。當考慮俯仰運動的非定常效應時，這條曲線就不是一條直線段，而是如圖1.2.1所示的時滯曲線(線性動力學系統中呈橢圓形)。當考慮流動的時滯效應后，翼型抬頭通過角度和低頭通過角度時，雖然瞬時迎角相同，但是與之前運動的歷程不同，翼面上和尾流中的渦量分布不同，從而導致氣動力分布、升力及力矩不同。這一現象就是經典的非定常時滯效應。顯然，描述翼型做非定常運動的氣動力模型比定常氣動力模型復雜得多，由于與時間相關，此運動需要采用動力學的模型描述。 圖1.2.1 俯仰振蕩的力矩時滯曲線 對于亞、超聲速流動，翼型的俯仰運動產生的氣動力矩一般定義為俯仰阻尼力矩。一般來說，圖1.2.1中的時滯曲線通常是逆時針方向。但是在一些特殊的流動狀態下，如在跨聲速流動狀態的某些頻率下，時滯曲線會變成順時針方向。在這種狀態下的一個運動周期，氣流將對翼型做正功，翼型若是彈性支撐下的自由運動，而不是強迫的簡諧運動，那么翼型運動的振幅將越來越大，*終可能產生結構的破壞。這種現象在氣動彈性力學中稱為跨聲速嗡鳴現象，是一種常見的、非常嚴重的跨聲速氣動彈性問題，經常導致型號設計的周期延誤。跨聲速嗡鳴現象的早期研究可參考文獻[2]和[3]，對該現象誘發機理的*新解釋可參考文獻[4]。 1.2.2 繞鈍體形成的卡門渦街 繞圓柱所形成的卡門渦街流態是一種典型的繞鈍體流態，經典的流體力學教科書中都有介紹。繞靜止圓柱的流動從極小Re時的Stokes流動，到Foppl渦對的定常流動，再到卡門渦街這種典型的不穩定流動，針對圓柱繞流的問題層出不窮，可以稱為流體力學研究中的一個萬花筒。圖1.2.2給出了Re=100時圓柱繞流出現的瞬時二維流場渦量分布圖。數值模擬所得的升力、阻力以及頻率和試驗結果吻合較好。隨著Re的進一步增加，還會出現三維流向渦這類復雜的非定常流動。如圖1.2.3所示，Re=3900時展向失穩后的圓柱繞流瞬時Q等值面云圖。 圖1.2.2 Re=100時圓柱繞流出現的瞬時二維流場渦量分布圖 圖1.2.3 Re=3900時展向失穩后的圓柱繞流瞬時Q等值面云圖 有關卡門渦街的誘發機理曾出現多種解釋。崔爾杰院士將其總結為四種脫渦機理模式：①上下剪切層相互作用模式；②尾跡開放模式；③二次渦振蕩模式；④近尾跡絕對不穩定模式。復雜問題的機理解釋有時出現分歧的原因在于未能區分哪些是表象，哪些是根源，如盲人摸象。對于上述機理的解釋，本書支持尹協遠等的論點[1]，即前三種模式都存在局限性。前兩種模式僅僅交代了上下剪切層存在的動量交換，而對于回流區中對稱的Foppl渦對的流動失穩因素并未提及。第三種模式無法解釋卡門渦街在臨界雷諾數附近的流動失穩機理，這是由于卡門渦街在Re=47附近就形成，而二次渦對到Re=500以上才能出現。只有第四種模式從根本上反映了卡門渦街形成的物理本質。 1.2.3 機翼的顫振 顫振是指彈性結構在氣流中運動時，在彈性力、慣性力和氣動力三者相互作用下，發生持續的、不衰減的運動。它是一種典型的氣動彈性動力學失穩現象，也是氣動彈性力學研究中*引人關注的課題。這種氣動不穩定會很快造成結構的破壞。航空航天工程中，因為氣動載荷大，對結構的質量設計要求極高，所以結構的彈性特征相比其他工程中的結構更為明顯，發生氣動彈性問題的可能性更大。因此，包含顫振在內的很多氣動彈性問題在航空航天工程中關注程度極高。 在經典的氣動彈性教科書中，對于機翼顫振誘發機理的解釋，有時為了便于讀者理解，采用定常的氣動力理論來闡述彎曲和扭轉模態的耦合是如何促發顫振的。但是在顫振發生的實際過程中，流動的非定常時滯效應明顯，對絕大部分問題，采用定常的氣動力理論計算顫振邊界會產生很大的偏差。實際上，正是以顫振為代表的氣動彈性問題吸引了20世紀很多空氣動力學家開展非定常空氣動力學的研究，推動了非定常流體力學的發展。例如，本書第3章中的非定常氣動力模型和理論在很大程度上也是為了解決氣動彈性動力學問題。 顫振不同于一般的強迫運動。飛行器發生顫振，是由結構在氣流中運動時引起的附加氣動力的激勵而引發的，結構運動一旦停止，附加氣動力也就消失了，因此顫振是一種結構和氣流相互耦合作用下的自激振動，這也是顫振區別于一般振動的獨特性質。通常情況下，當飛行速度達到某一值時，擾動所引起的飛機振動剛好維持飛機的等幅簡諧振動，這一速度在顫振分析中被稱為顫振臨界速度，簡稱顫振速度。若飛行速度繼續增
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