CN102436181A - 一种剪切层流动控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种剪切层流动控制方法，用于控制剪切层基频涡卷的演化形式；首先对剪切层流动进行线性稳定性分析，获得剪切层最不稳定波的波数，即基频扰动波的波数α1；然后根据所要产生的涡卷演化形式，确定基频扰动波与亚谐扰动波的相差Δφ；最后利用交流电信号来模拟基频扰动波与亚谐扰动波，该交流电信号对电阻加热，进而加热气流，通过对交流电信号的幅度、相位、频率的控制实现流动的精确控制。本发明提出的控制方法不仅考虑扰动的频率特性，更进一步考虑扰动的相位特性，因而，能够全方位模拟扰动特性，实现剪切层精确控制。
Description
技术领域
本发明属于流动控制技术领域，用于实现剪切层流动的精确控制。
背景技术
大尺度结构是剪切层中最本质特征，主导其动力学过程。与剪切层相关的应用很多，不同时候，对剪切层有不同的要求。例如，超燃冲压发动机要求增强混合，需要剪切层涡卷快速群并。而在气动光学窗口中，要求削弱气动光学效应；在发动机尾喷管附近，群并涡卷是最主要的噪声源；这都需剪切层涡卷以撕裂方式演化实现混合抑制。
剪切层对外部扰动十分敏感，为剪切层控制提供了一种思路。这种思路的核心在于外部扰动通过感受性在剪切层中快速猝发相应的大尺度结构，“这些大尺度结构随外部扰动而变”，因而通过控制外部扰动可实现剪切层流动控制。
用扰动来控制剪切层有两类方法：一类是被动控制方法，一类是主动控制方法。一种最主要的被动控制方法是在剪切层隔板上粘贴薄片，如图1所示，当来流流过这些薄片，根据薄片的几何特征尺度感受出对应频率的扰动波。矩形薄片引入二维扰动，三角形薄片引入三维扰动；薄片为突起物，通过流动感受性感受出某种扰动，该扰动的频率从三角形的高度感受出，扰动的幅值从薄片的厚度感受出。另一种被动控制方法是利用反馈机制，例如对于凹腔流动，声波从下游角点反射回上游角点，对来流流动产生扰动，通过设计凹腔长度，可使这一扰动产生具有某一频率的扰动波。主动控制方法比被动控制方法复杂，但更为有效，如在剪切层隔板后缘加装类似拍翼的装置，通过机械运动引入扰动，并获得某种频率的扰动。但是，上述方法均只利用到扰动的频率特性，因而，一般只能获得混合增强效果，并不能满足各种需求，如对于混合抑制的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有剪切层流动控制方法的缺陷，提供一种实现简单、可同时模拟扰动频率和相位的剪切层流动控制方法。
本发明包括如下技术方案：
一种剪切层流动控制方法，用于控制剪切层基频涡卷的演化形式，包括如下步骤：
(1)对剪切层流动进行线性稳定性分析，获得剪切层最不稳定波的波数，即基频扰动波的波数α1；
(2)根据所要产生的涡卷演化形式，确定基频扰动波与亚谐扰动波的相差Δφ；
(3)利用交流电信号来模拟基频扰动波与亚谐扰动波，该交流电信号对电阻加热，进而加热气流，通过对交流电信号的幅度、相位、频率的控制实现流动的精确控制。
剪切层基频涡卷的演化形式包括撕裂、中心对称群并和非对称群并，控制流动以哪种方式演化取决于基频扰动波与亚谐扰动波的相差。
基频扰动波记为f1＝A1cos(α1t+φ1)，亚谐扰动波记为fm＝Amcos(αmt+φm)，其中αm＝α1/m，m为大于等于2的整数；任意选定φ1，根据步骤(2)确定的相差Δφ确定出φm；交流电信号由两个余弦交流电信号合成；第一个交流电信号记为u1＝U1cos(ω1t+θ1)，令ω1＝α1，θ1＝φ1，引入基频扰动波；第二个交流电信号记为u2＝U2cos(ω2t+θ2)，令ω2＝αm，θ2＝φm，引入亚谐扰动波；其中，U1，U2，ω1、ω2，θ1与θ2都是可控参数，通过对它们的控制可获得所需的扰动信号，从而实现流动的精确控制。
当基频扰动波与亚谐扰动波的相差Δφ＝2nπ/m时，剪切层基频涡卷以中心对称群并方式演化；当Δφ＝(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以撕裂方式演化；当2nπ/m＜Δφ＜(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以非对称群并方式演化。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)本发明利用交流电信号，可实现扰动信号的完全定量模拟，且实现简单；
(2)本发明提出的控制方法不仅考虑扰动的频率特性，更进一步考虑扰动的相位特性，因而，能够全方位模拟扰动特性，实现剪切层精确控制；如控制基频涡卷以中心对称群并方式演化可实现混合增强，或使基频涡卷以撕裂方式演化可实现混合抑制；能够满足各种应用需求。
(3)本发明给出了剪切层基频涡卷演化形式与扰动相差的定量关系，克服“盲目控制”，以最小的代价实现最精准的控制。
附图说明
图1为现有的剪切层薄片控制方法示意图；
图2为本发明的控制装置示意图；
图3为本发明的相差关系与控制效果示意图，图3a为撕裂现象
图3b为中心对称群并现象
图4为本发明的数值模拟结果；
图5为本发明控制方法的示意图；图5a为二涡撕裂形式，图5b为二涡对称对并形式。
具体实施方式
对于剪切层流动，不稳定波为Tollmien-Schlichting波(简称T-S波)，在轴线附近具有余弦函数形式，可写为f＝Acos(αt+φ)，其中A代表扰动幅值，α代表波数或频率，φ代表相位。最不稳定波(基频扰动波)记为f1＝A1cos(α1t+φ1)，如果扰动波fm＝Amcos(αmt+φm)的波数满足关系αm＝α1/m，则该扰动波称为基频扰动波的1/m次亚谐波。基频扰动波与亚谐波的相差记为Δφ＝φm-φ1。
本发明基于线性稳定性理论推导确定了剪切层基频涡卷演化形式，与相差Δφ之间的定量关系，对于任意m(m大于等于2)，当Δφ＝2nπ/m时，剪切层基频涡卷以中心对称群并方式演化；当Δφ＝(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以撕裂方式演化；当2nπ/m＜Δφ＜(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以非对称群并方式演化。
用数值计算方法验证了这些定量关系，模拟获得了基频涡卷演化方式的基本特征。图3(a)给出了三涡撕裂情形，图3(b)给出了三涡群并情形，其中x代表流动的流向坐标，y代表流动的横向坐标。图4给出了三种情形下(CaseSC：撕裂现象；Case SA：中心对称群并现象，SB是非对称群并现象)的剪切层动量厚度曲线，其中横坐标x表示流向位置，纵坐标δm代表动量厚度，可以看到撕裂情形混合得到抑制，远小于三涡群并情形。可以看到通过控制扰动的相差既可实现混合增强，又可实现混合抑制。
由于扰动波f＝Acos(αt+φ)具有余弦函数的形式，因此，可以用同样具有余弦函数形式的交流电信号来进行模拟，记交流电信号为u＝Ucos(ωt+θ)。令ω＝α，θ＝φ，交流电信号可以模拟出扰动波信号，尤其是精确模拟基频扰动与亚谐扰动之间的定量相差关系，从而实现剪切层流动的精确控制。
如图2所示为本发明的控制装置示意图，隔板上三角形阴影代表电阻加热区域，与隔板平齐；通过交流电信号对电阻加热，加热的电阻将加热气流，从而引入相应的扰动。因此，根据需要，设计合适的交流电信号，通过可控交流电源控制交流电信号，就可实现剪切层流动控制。
本发明的流动控制方法，具体包括如下步骤：
(1)已知剪切层流动上下来流的流速，温度，密度，那么，通过线性稳定性分析可以获得该剪切层的最不稳定波。即得到最不稳定波的波数α1。
获得剪切层最不稳定波的方法是现有技术，具体参考如下文献：“可压平面混合层稳定性分析及数值模拟”.王强.博士论文，中国科学院力学研究所，1999。
(2)进行应用需求分析，确定是需增强混合还是需要抑制混合，从而选择利用涡卷合并或撕裂，据此确定相差Δφ。基频扰动波记为f1＝A1cos(α1t+φ1)，亚谐扰动波记为fm＝Amcos(αmt+φm)，任意选定φ1，根据Δφ确定出φm。
(3)反向设计交流电信号。该交流电信号由两个余弦交流电信号合成。第一个交流电信号记为u1＝U1cos(ω1t+θ1)，令ω1＝α1，θ1＝φ1，引入基频扰动波；第二个交流电信号记为u2＝U2cos(ω2t+θ2)，令ω2＝αm，θ2＝φm，引入亚谐扰动波；其中，U1，U2，ω1、ω2，θ1与θ2都是可控参数，通过对它们的控制可获得所需的扰动信号，从而实现流动的精确控制。
如图5所示，上图为两个交流电信号合成之后的交流电模拟信号；中图为感受出的扰动信号，其中实线为基频扰动波，虚线为亚谐扰动波；下图为所产生的基频涡卷演化形式。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (4)
1.一种剪切层流动控制方法，用于控制剪切层基频涡卷的演化形式，其特征在于：包括如下步骤：
(1)对剪切层流动进行线性稳定性分析，获得剪切层最不稳定波的波数，即基频扰动波的波数α1；
(2)根据所要产生的涡卷演化形式，确定基频扰动波与亚谐扰动波的相差Δφ；
(3)利用交流电信号来模拟基频扰动波与亚谐扰动波，该交流电信号对电阻加热，进而加热气流，通过对交流电信号的幅度、相位、频率的控制实现流动的精确控制。
2.如权利要求1所述的剪切层流动控制方法，其特征在于：剪切层基频涡卷的演化形式包括撕裂、中心对称群并和非对称群并，控制流动以哪种方式演化取决于基频扰动波与亚谐扰动波的相差。
3.如权利要求1所述的剪切层流动控制方法，其特征在于：基频扰动波记为f1＝A1cos(α1t+φ1)，亚谐扰动波记为fm＝Amcos(αmt+φm)，其中αm＝α1/m，m为大于等于2的整数；任意选定φ1，根据步骤(2)确定的相差Δφ确定出φm；交流电信号由两个余弦交流电信号合成；第一个交流电信号记为u1＝U1coS(ω1t+θ1)，令ω1＝α1，θ1＝φ1，引入基频扰动波；第二个交流电信号记为u2＝U2cos(ω2t+θ2)，令ω2＝αm，θ2＝φm，引入亚谐扰动波；其中，U1，U2，ω1、ω2，θ1与θ2都是可控参数，通过对它们的控制可获得所需的扰动信号，从而实现流动的精确控制。
4.如权利要求3所述的剪切层流动控制方法，其特征在于：当基频扰动波与亚谐扰动波的相差Δφ＝2nπ/m时，剪切层基频涡卷以中心对称群并方式演化；当Δφ＝(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以撕裂方式演化；当2nπ/m＜Δφ＜(2n+1)π/m时，剪切层基频涡卷以非对称群并方式演化。
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