【摘要】：存在于飛機(jī)、汽車、船舶等運(yùn)動物體周圍的湍流邊界層是摩擦阻力產(chǎn)生的主要原因,而壁面相干結(jié)構(gòu)是湍流能量產(chǎn)生的直接原因,因此,有效控制湍流邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)是減小摩擦阻力的重要途徑。本文利用介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體激勵器控制湍流邊界層減阻實驗研究,通過優(yōu)化激勵器的各參數(shù)獲得最佳減阻率。本文對等離子體激勵器的幾何參數(shù)和激勵信號參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以取得更高減阻率。實驗在風(fēng)洞中進(jìn)行,來流速度U∞=2.4 m/s。利用熱線風(fēng)速儀在距DBD等離子體激勵器尾部下游25 mm處測量控制前后的流向速度脈動,以計算各控制參數(shù)下的減阻率,利用高壓探頭與電流探頭測量激勵器的功率消耗以比較非穩(wěn)態(tài)激勵下的控制效率,并且采用煙線流動顯示技術(shù)在距離壁面高y+=21處拍攝與壁面平行的平面內(nèi)流體結(jié)構(gòu)的變化。另外,根據(jù)熱線測得湍流邊界層內(nèi)的速度信號,研究控制前后流向速度U的統(tǒng)計量分布和近壁面猝發(fā)頻率的變化。研究結(jié)果證明穩(wěn)態(tài)激勵下的最佳控制參數(shù)為介質(zhì)層厚度Th=0.14 mm,電極長度L=300 mm,激勵電壓E=6 k Vp-p,放電間距D=60 mm,并且取得了目前為止最佳平均減阻率(35)cf=24%。對于非穩(wěn)態(tài)激勵控制,隨著脈沖頻率fp的增大,平均減阻率逐漸減小,但當(dāng)fp≥100 Hz時,流向渦的形態(tài)趨于穩(wěn)定,對邊界層的控制效果不再發(fā)生變化,減阻率保持不變。而非穩(wěn)態(tài)的占空比起著主導(dǎo)作用,且電壓E=7.4 k Vp-p,脈沖頻率fp=50Hz,占空比DC=50%時的控制效率(減阻率與功耗比值)|?(81)?????|/P最高為0.018。通過計算近壁面處控制前后猝發(fā)頻率fb+的變化,發(fā)現(xiàn)控制后的fb+明顯減小且穩(wěn)態(tài)激勵下fb+減小的幅值大于非穩(wěn)態(tài)情況,說明控制后的低速條帶較為穩(wěn)定,湍流事件得到抑制且穩(wěn)態(tài)減阻效果更加顯著。流顯結(jié)果表明,穩(wěn)態(tài)激勵器誘導(dǎo)的反向流向渦對強(qiáng)烈的上洗作用能夠穩(wěn)定低速條帶并使其向激勵器對中間靠攏,最終形成一條狹長的低速條帶群,較低的流速促使可觀的減阻率。非穩(wěn)態(tài)控制后的低速條帶因占空比的影響不斷聚攏與分散,形成連續(xù)的“波浪式”低速條帶群,此現(xiàn)象表明非穩(wěn)態(tài)下的平均減阻率達(dá)不到穩(wěn)態(tài)最佳情況,只有穩(wěn)定的流向渦才能有效抑制近壁面的湍流事件。
【圖文】：

自二十世紀(jì)中葉，，Corrsin 和 Kistler[4]利用實驗與理論推導(dǎo)的方法發(fā)現(xiàn)切變湍流邊界層中存在著間歇性特征，由此引導(dǎo)人們繼續(xù)對湍流邊界層的發(fā)展過程進(jìn)行深入的研究，經(jīng)過大量實驗研究，人們發(fā)現(xiàn)在湍流內(nèi)存在著一些三維流體結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，總存在著一些遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)刈钚×黧w結(jié)構(gòu)尺度的結(jié)構(gòu)，這些流體結(jié)構(gòu)中至少有某一變量（速度，密度，溫度等）是與其自身或其余變量有著高度相關(guān)性的[5]，通俗地講，湍流邊界層內(nèi)除了存在一些小尺度的渦結(jié)構(gòu)做無規(guī)則運(yùn)動外，還有著一些有序的做重復(fù)性運(yùn)動的大尺度結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為相干結(jié)構(gòu)（擬序結(jié)構(gòu)）。相干結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為近現(xiàn)代湍流理論的發(fā)展提供了重大突破口。同時也間接表明，對湍流邊界層的控制就是研究如何擾亂湍流內(nèi)的這些大尺度相干結(jié)構(gòu)，為湍流控制的發(fā)展開辟了一條新道路。自人們認(rèn)識到湍流邊界層的相干結(jié)構(gòu)，經(jīng)過十年的研究積累，流動顯示技術(shù)、激光多普勒測速儀（LDV）以及一些高端前沿流體測量技術(shù)的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，使得人們對湍流邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更深一步的認(rèn)識。20 世紀(jì) 80 年代開始，粒子圖像測速儀（PIV）和直接數(shù)值模擬（DNS）技術(shù)的快速發(fā)展，大大方便了人們對湍流邊界層內(nèi)分層結(jié)構(gòu)特性以及流場信息的總體性把握。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O533

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本文編號：2599259