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渦生振蕩及其電磁優(yōu)化控制/電子與信息作戰(zhàn)叢書 版權信息
- ISBN：9787030729750
- 條形碼：9787030729750 ; 978-7-03-072975-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
渦生振蕩及其電磁優(yōu)化控制/電子與信息作戰(zhàn)叢書 內容簡介
本書通過實驗、數(shù)值計算和理論分析，從一自由度/二自由度的渦生振蕩及其電磁控制和流動優(yōu)化控制三個層次討論以減振為主要目的的流動控制問題。全書共7 章。第1章為緒論，第2章和第3章為一自由度的渦生振蕩及其電磁控制，第4章和第5章為二自由度的渦生振蕩及其電磁控制，第6章為振蕩與繞流電磁控制的實驗驗證，第7章為圓柱繞流的電磁優(yōu)化控制。 本書可作為力學、航海工程、兵器科學、航空航天、控制科學等專業(yè)科研人員的參考書，也可供高等院校相關專業(yè)研究生和本科生的學習。
渦生振蕩及其電磁優(yōu)化控制/電子與信息作戰(zhàn)叢書 目錄
目錄
“電子與信息作戰(zhàn)叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 國內外的研究概況 1
1.2.1 圓柱繞流及其控制方法的研究狀況 2
1.2.2 電磁力控制流動的研究狀況 3
1.2.3 鈍體繞流電磁力控制的研究狀況 5
1.2.4 剪切來流條件下圓柱繞流及其電磁控制的研究狀況 8
1.2.5 渦生振蕩及其電磁控制的研究狀況 8
1.2.6 流動優(yōu)化控制的研究狀況 9
1.3 本書研究的意義 10
1.4 本書的主要工作 11
第2章 剪切來流下的渦生振蕩 13
2.1 流動守恒方程 14
2.2 圓柱表面水動力 14
2.2.1 剪應力與壓力 14
2.2.2 阻力和升力 17
2.3 圓柱運動方程 18
2.4 數(shù)值方法 20
2.4.1 初始條件 20
2.4.2 邊界條件 21
2.4.3 計算方法 21
2.5 結果與討論 23
2.5.1 尾渦對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 23
2.5.2 振蕩對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 27
2.5.3 剪切對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 36
2.6 本章小結 43
第3章 剪切來流渦生振蕩的電磁控制 44
3.1 電磁力 44
3.2 流動守恒方程 47
3.3 圓柱表面水動力 48
3.3.1 剪應力與壓力 48
3.3.2 阻力和升力 49
3.4 圓柱運動方程 51
3.5 數(shù)值方法 51
3.6 結果與討論 51
3.6.1 電磁力的減阻機理 51
3.6.2 電磁力的增升機理 56
3.6.3 電磁力的減振機理 59
3.6.4 剪切來流渦生振蕩的電磁控制 67
3.6.5 流動控制過程的Okubo-Weiss函數(shù)守恒 76
3.7 本章小結 83
第4章 兩自由度渦生振蕩的機理 84
4.1 流動守恒方程 84
4.2 圓柱表面水動力 85
4.2.1 剪應力與壓力 85
4.2.2 阻力和升力 86
4.3 圓柱運動方程 87
4.4 數(shù)值方法 88
4.4.1 初始及邊界條件 88
4.4.2 流固耦合過程 89
4.5 結果與討論 90
4.5.1 推吸壁面和尾渦的影響 90
4.5.2 剪切來流的影響 99
4.6 本章小結 106
第5章 電磁力控制兩自由度渦生振蕩 107
5.1 電磁力 107
5.2 流動守恒方程 107
5.3 圓柱表面水動力 108
5.3.1 剪應力與壓力 108
5.3.2 阻力和升力 110
5.4 圓柱運動方程 111
5.5 閉環(huán)控制的電磁力 112
5.6 數(shù)值方法 112
5.7 結果與討論 113
5.7.1 電磁力對尾渦及圓柱位移的影響 113
5.7.2 總阻力為零的電磁力閉環(huán)控制 124
5.8 本章小結 128
第6章 振蕩與繞流電磁控制的實驗驗證 129
6.1 實驗系統(tǒng)的設計 129
6.2 結果與討論 132
6.2.1 均勻來流的圓柱繞流及其電磁控制 132
6.2.2 剪切來流的圓柱繞流及其電磁控制 135
6.2.3 均勻來流的渦生振蕩及其電磁控制 137
6.2.4 兩自由度渦生振蕩及其電磁控制 139
6.3 本章小結 142
第7章 圓柱繞流的電磁優(yōu)化控制 144
7.1 流動的優(yōu)化控制 144
7.2 圓柱繞流的協(xié)態(tài)優(yōu)化控制 147
7.2.1 圓柱繞流的協(xié)態(tài)優(yōu)化控制律 147
7.2.2 協(xié)態(tài)優(yōu)化控制的數(shù)值方法 150
7.3 結果與討論 152
7.3.1 渦度擬能為測量量 152
7.3.2 測量量的加權組合 156
7.4 電磁力的空間優(yōu)化 158
7.5 本章小結 161
參考文獻 162
“電子與信息作戰(zhàn)叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 國內外的研究概況 1
1.2.1 圓柱繞流及其控制方法的研究狀況 2
1.2.2 電磁力控制流動的研究狀況 3
1.2.3 鈍體繞流電磁力控制的研究狀況 5
1.2.4 剪切來流條件下圓柱繞流及其電磁控制的研究狀況 8
1.2.5 渦生振蕩及其電磁控制的研究狀況 8
1.2.6 流動優(yōu)化控制的研究狀況 9
1.3 本書研究的意義 10
1.4 本書的主要工作 11
第2章 剪切來流下的渦生振蕩 13
2.1 流動守恒方程 14
2.2 圓柱表面水動力 14
2.2.1 剪應力與壓力 14
2.2.2 阻力和升力 17
2.3 圓柱運動方程 18
2.4 數(shù)值方法 20
2.4.1 初始條件 20
2.4.2 邊界條件 21
2.4.3 計算方法 21
2.5 結果與討論 23
2.5.1 尾渦對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 23
2.5.2 振蕩對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 27
2.5.3 剪切對渦生振蕩系統(tǒng)的影響 36
2.6 本章小結 43
第3章 剪切來流渦生振蕩的電磁控制 44
3.1 電磁力 44
3.2 流動守恒方程 47
3.3 圓柱表面水動力 48
3.3.1 剪應力與壓力 48
3.3.2 阻力和升力 49
3.4 圓柱運動方程 51
3.5 數(shù)值方法 51
3.6 結果與討論 51
3.6.1 電磁力的減阻機理 51
3.6.2 電磁力的增升機理 56
3.6.3 電磁力的減振機理 59
3.6.4 剪切來流渦生振蕩的電磁控制 67
3.6.5 流動控制過程的Okubo-Weiss函數(shù)守恒 76
3.7 本章小結 83
第4章 兩自由度渦生振蕩的機理 84
4.1 流動守恒方程 84
4.2 圓柱表面水動力 85
4.2.1 剪應力與壓力 85
4.2.2 阻力和升力 86
4.3 圓柱運動方程 87
4.4 數(shù)值方法 88
4.4.1 初始及邊界條件 88
4.4.2 流固耦合過程 89
4.5 結果與討論 90
4.5.1 推吸壁面和尾渦的影響 90
4.5.2 剪切來流的影響 99
4.6 本章小結 106
第5章 電磁力控制兩自由度渦生振蕩 107
5.1 電磁力 107
5.2 流動守恒方程 107
5.3 圓柱表面水動力 108
5.3.1 剪應力與壓力 108
5.3.2 阻力和升力 110
5.4 圓柱運動方程 111
5.5 閉環(huán)控制的電磁力 112
5.6 數(shù)值方法 112
5.7 結果與討論 113
5.7.1 電磁力對尾渦及圓柱位移的影響 113
5.7.2 總阻力為零的電磁力閉環(huán)控制 124
5.8 本章小結 128
第6章 振蕩與繞流電磁控制的實驗驗證 129
6.1 實驗系統(tǒng)的設計 129
6.2 結果與討論 132
6.2.1 均勻來流的圓柱繞流及其電磁控制 132
6.2.2 剪切來流的圓柱繞流及其電磁控制 135
6.2.3 均勻來流的渦生振蕩及其電磁控制 137
6.2.4 兩自由度渦生振蕩及其電磁控制 139
6.3 本章小結 142
第7章 圓柱繞流的電磁優(yōu)化控制 144
7.1 流動的優(yōu)化控制 144
7.2 圓柱繞流的協(xié)態(tài)優(yōu)化控制 147
7.2.1 圓柱繞流的協(xié)態(tài)優(yōu)化控制律 147
7.2.2 協(xié)態(tài)優(yōu)化控制的數(shù)值方法 150
7.3 結果與討論 152
7.3.1 渦度擬能為測量量 152
7.3.2 測量量的加權組合 156
7.4 電磁力的空間優(yōu)化 158
7.5 本章小結 161
參考文獻 162
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渦生振蕩及其電磁優(yōu)化控制/電子與信息作戰(zhàn)叢書 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 背景和意義 飛行器、軍艦、潛艇、水中兵器等在運動時，黏性流體在其表面形成的邊界層會使武器減速，產生噪聲、振動、失穩(wěn)，甚至造成武器的變形和損壞。這些現(xiàn)象通常可以通過流體邊界層的控制加以抑制。自1904年 Prantdl提出流體邊界層概念以來，流體邊界層的控制理論與技術一直是兵器學科研究*為活躍的領域之一。這主要是因為流體邊界層本身在兵器科學中的重要性，以及邊界層控制帶來的巨大潛在軍事價值。通過邊界層的控制不但可以實現(xiàn)減阻，而且可以達到抑振、降噪和隱身的目的，因此吸引了各國研究人員。由于流體的黏性，飛行器運動時不可避免地會在阻力作用下減速、振動和產生噪聲，使推進效率降低、飛行失穩(wěn)。高效減阻可以提高推進效率和飛行的穩(wěn)定性，減少燃料損耗。這對改進諸如飛機、導彈、普通彈箭等飛行體的性能，提高武器的質量是非常有價值的。因此，減阻增升減振技術是一切飛行裝置的關鍵技術，可以說，凡是涉及黏性流體運動的領域，都存在減阻增升減振問題。美國已將其列為21世紀需要關注的關鍵技術，流動控制也因此成為兵器學科的研究熱點。 近年來，隨著計算流體力學和實驗流體力學的飛躍發(fā)展，人們可以更深入地研究流場的精細結構，闡述流場變化的動力學機理。這些發(fā)展為流動控制在科學層面的展開，以及反饋式主動控制的研究提供了實質性的幫助，從而使主動控制，特別是微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical system， MEMS)流動控制，成為當前流動控制的熱點和前沿。 1.2 國內外的研究概況 圓柱體作為結構簡單的鈍體，其繞流的流線形狀和尾流特點具有同其他鈍體繞流一樣的復雜性和共同特征。流動的分離脫體如圖1.1所示。因此，人們對圓柱繞流問題的研究十分熱衷。這方面的研究課題一直是現(xiàn)代科學研究的熱點。圓柱繞流的特性與流場的 Re有關。一般來講，當時，流體在圓柱表面的后駐點附近脫體，在尾部形成對稱的反向旋渦。隨著 Re增大，脫體點前移，旋渦變大。當時，脫體旋渦不再對稱，以周期交替的方式離開圓柱，在尾部形成結構有序的卡門渦街。當時，三維不穩(wěn)定性得以顯現(xiàn)，尾流區(qū)出現(xiàn)擺動和不穩(wěn)定。隨著 Re的進一步增大，逐漸形成湍流。圓柱繞流問題中的流體邊界層的分離與脫落、流體剪切層的流動和變化、尾流區(qū)域的分布和變動，以及它們之間的相互作用等因素，使其成為一項復雜和難度大的研究課題。 圖1.1 流動的分離脫體 1.2.1 圓柱繞流及其控制方法的研究狀況 鈍體繞流的脫體現(xiàn)象與邊界層內流體動量的缺失有關，如果通過某種方法，給邊界層內的流體增加動量，便可以抑制繞流、減阻減振。圓柱繞流是一種典型的邊界層分離問題。通過抑制卡門渦街來控制圓柱繞流尾跡引發(fā)了許多研究。通過改變或控制流場的狀態(tài)，包括力學狀態(tài)(如運動速度)和熱力學狀態(tài)(如溫度)，可以實現(xiàn)某種設定的目的(如減阻)，人們稱此為流動控制。早在1904年，Prandtle [1]就進行了著名的圓柱繞流的控制實驗。圓柱繞流控制如圖1.2所示。該實驗在圓筒表面開一道狹縫，利用該狹縫吸進流體，抑制流體在圓柱表面的分離。 圖1.2 圓柱繞流控制 目前文獻提及的流體控制方法主要有兩種，即被動控制方法和主動控制方法。被動控制方法，如加置帶狹縫的板[2-7]、在尾流中添加二次圓柱[8]等，不需要向流場提供能量。近年來，人們更加側重于向流場提供能量，并根據(jù)流場信息調整供應力度的主動控制方法的研究，包括振蕩圓柱法、聲波干擾、表面狹縫吹吸、熱效應、流體滾珠軸承效應等[9-18]。 數(shù)值模擬與實驗都表明[19-22]，在圓柱尾部插入一個直徑比原有圓柱小一個數(shù)量級以上的細圓柱，可使主圓柱卡門渦街消失。同樣，將一個尺寸與圓柱體直徑相當?shù)姆指羝桨宀迦胛擦鞯慕^對不穩(wěn)定區(qū)域也會使卡門渦街消失[23]。另外，在繞流體的頭部進行局部加熱，可以獲得明顯的減阻效果[24]。黃為民等[25]對前駐點加熱圓柱繞流場進行了可視化實驗研究。汪箭等[26]采用正交曲線貼體坐標系對熱圓柱繞流問題進行了數(shù)值模擬。用加熱尾跡的方法控制圓柱繞流時，隨著溫度逐漸升高，表面溫度高出水溫后，流動會發(fā)生變化。前駐點流線擺動振幅、頻率明顯減少，前駐點位置向柱體表面靠近，甚至落在柱體表面，并發(fā)生間歇性猝發(fā)反向流，分離點位置后移至湍流分離點位置。前駐點的間歇性猝發(fā)反向流動無疑會改變流動結構，發(fā)生反向流時前駐點位于物面，但隨后移向前方，駐點在中心流線作前后振蕩。前駐點的前后振蕩會改變前駐點處左右搖擺的頻率和振幅，使流動穩(wěn)定性大為提高。分離頻率降低，繞流體的形阻也應相應地下降。前駐點加熱增加沿物面流動流體的能量會使流體抗分離的總能增加，因此分離點推遲到湍流分離點位置。若加熱量不足以產生或加強前駐點附近的回流區(qū)域，則不會產生上述現(xiàn)象。 在圓柱繞流中，圓柱旋轉振蕩[27-30]也可以有效地控制渦的脫落。在圓柱旋轉振蕩時，振蕩頻率將同渦的自然脫落頻率一起對流場的演化規(guī)律產生影響。在不同的振蕩頻率下，這兩種頻率的耦合關系有很大的區(qū)別，導致流場的發(fā)展規(guī)律也有相應的不同。其旋渦形成、發(fā)展和脫落的規(guī)律比靜止圓柱繞流復雜得多，一些物理機制尚未完全認識清楚，所以目前關于旋轉振蕩圓柱流場特性的數(shù)值和實驗研究工作進行得還比較少，有必要進一步進行理論研究和數(shù)值模擬。流向、橫向振蕩[31，32]圓柱繞流問題與旋轉振蕩圓柱繞流相似，也需要進一步研究。 1.2.2 電磁力控制流動的研究狀況 按一定方式排列的磁條和電極形成的電磁激勵板，在電解質溶液或局部電離的氣體中通電后，可以形成作用于流體的洛侖茲力場。當洛侖茲力的方向與流動方向平行時，便可增加流體動量，從而有效地控制脫體繞流。 流體邊界層控制的方法大致可分為被動式控制方法與主動式控制方法兩種。被動式流動控制無需向流場傳輸能量，而主動式流動控制則需要向流場傳輸能量。由于電磁場能夠在導電流體中產生電磁力，這種電磁力作用于流體邊界層可以改變其結構，實現(xiàn)對流場的控制。對導電流體邊界層施加電磁力控制流場是一種主動式流動控制方法。 電磁力是一種場力。一定時空分布結構的電磁力作用于流場，通過直接耦合作用的方式向流體邊界層和流場輸入動量和能量，能夠改變流體邊界層，乃至全流場的結構。在電磁力作用于流體邊界層的同時，運動狀態(tài)發(fā)生變化的導電流體在電磁場中因電磁感應現(xiàn)象會產生感生電磁場，從而影響原來流場與電磁場的結構與分布，屬于典型的多場耦合與非線性動力學問題。 盡管近年來不少研究人員結合層流邊界層與湍流邊界層的特點，采用閉環(huán)控制、非線性優(yōu)化控制等控制方法，討論電磁力對流體邊界層的優(yōu)化控制問題，但研究結果僅限于所取模型的范疇，并不具有一般性。尤其是，對于湍流邊界層的研究，問題提法更是基于人們對湍流邊界層結構的不同認識，研究結果有很大的差異。不管流體邊界層的模型如何，還是可以針對流向電磁力、展向電磁力和法向電磁力的分布特點，采用粒子圖像測速(particle image velocimetry， PIV)等先進流場診斷與測試技術都獲得流場中速度分布的變化特點，進而討論不同尺度電磁力對流體邊界層控制的特點。 電磁力控制流體邊界層的相關概念*初于1961年由英國學者 Gailitis提出。 Gailitis和 Lielausis設計了一種由條狀電極和磁極交錯布置的電磁場激活板，將其浸入流動的弱電解質溶液中，產生的電磁力可以改變邊界層的結構[33]，說明流體邊界層上的電磁力對流場具有控制作用。平板上交錯分布的電磁場產生的電磁力如圖1.3所示。 圖1.3 平板上交錯分布的電磁場產生的電磁力 電磁流體控制的原理是，流場中的帶電粒子在磁場中運動，產生多尺度電磁力，改變帶電粒子的運動速度，實現(xiàn)對流場的動量、能量和渦量的控制。 由于常規(guī)鐵磁永磁材料的強度較小(一般強度為百分之幾特斯拉)，因此在隨后的幾十年中關于電磁力對弱導電流場的控制研究進展緩慢。毫無疑問，用電磁力控制流體邊界層或流場結構，其力密度與控制效果緊密相關。根據(jù)控制過程的斯特勞哈爾數(shù)(電磁力與流體慣性力之比)，其中 J為電流密度， B為磁場的磁感應強度， a為特征尺度，μ為流體的動力黏度系數(shù)，ρ為流體密度。對于常規(guī)的流場條件， B的數(shù)量級應達到1特斯拉以上，才能滿足條件，即電磁力與流體慣性力可以比較。正是由于20世紀80年代中后期以來，稀土永磁材料技術獲得突破，人們通過磁極配型的組合，可以十分便利地研制出強度達到幾個特斯拉的永磁體(如釹-鐵-硼磁性材料)，給相關研究工作帶來了活力。與此同時，尤其是20世紀末、21世紀初以來，人們對非線性科學的研究也取得了豐碩的研究成果，隨著對湍流機理研究的進一步深入(如流體混合層、近壁剪切湍流的擬序結構、湍流標度率的認識等)，電磁力對弱導電流體的控制已經成為近年來流體力學和電磁流體力學(electromagnetic hydrodynamics，EMHD)領域的研究熱點。 由于電磁力具有場力的結構傳輸特征，在不需要向流場傳輸質量的情況下，可以十分方便地向流場傳輸動量與能量，從而有效地改變和構造流體邊界層與流場的結構。 Henoch等對平板電磁場激活板在鹽水邊界層中的流向電磁力進行了實驗研究，并對鹽水邊界層中的湍流應力等進行了實驗研究[34]。Crawford等對槽道中流向電磁力對湍流的影響進行了數(shù)值研究分析，發(fā)現(xiàn)電磁力對鹽水流體邊界層的湍流能產生有效的控制作用[35]。圖1.4所示為平板電磁場激活板上的電磁場分布示意圖。圖1.5所示為平板電磁場激活板上的電磁力分布示意圖。電磁力的分布沿展向周期變化，沿法向逐漸衰減，虛線部分電磁力接近于零。 圖1.4 平板電磁場激活板上的電磁場分布示意圖 圖1.5 平板電磁場激活板上的電磁力分布示意圖 1.2.3 鈍體繞流電磁力控制的研究狀況 Weier等將電磁場激活板包覆在圓柱兩側，圓柱表面產生電磁力(圖1.6)。電磁場在電解質流場中產生的電磁力沿圓柱體側表面分布[36]。電磁力可以有效地改變電解質流體邊界層的結構，具有明顯的消渦控制作用[37]。他們對由此形成的圓柱繞流進行了系列實驗研究和數(shù)值模擬分析。研究結果表明，電磁力可以對流體邊界層產生有效的加速作用，電磁力能夠有效地控制流體邊界層的分離。他們認為，電磁力具有消渦減阻控制作用，對湍流的控制作用更加明顯。 圖1.6 圓柱表面產生電磁力 Kim等[38，39]討論分析了電磁場激活板對海水流場中圓柱阻力和升力變化的影響。研究結果表明，電磁力可以控制流體分離點的移動，減少流場對圓柱體的阻力作用。他們提出有效包覆范圍的概念，將電磁力的包覆范圍選擇在自前駐點起70°~130°的范圍內。采用激光帶照射隨流體表面運動的示蹤聚合粒子，可以清楚地顯示電磁消渦與增渦的流場形態(tài)。通過應力測試實驗，他們研究了流體邊界層的電磁力減阻與減振作用效果，測試分析了持續(xù)與振蕩電磁力的減振作用。持續(xù)正向電磁力對圓柱升力的影響如圖1.7所示。 圖1.7 持續(xù)正向電磁力對圓柱升力的影
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