回轉(zhuǎn)體流場三維結(jié)構(gòu)特征及其電磁力控制效應(yīng)的研究.pdf

1、導(dǎo)電流體中電磁場產(chǎn)生的電磁力可以改變流體邊界層的結(jié)構(gòu)，是用于流體流動(dòng)控制的一種有效手段。根據(jù)研究工作所采用的控制方法的不同，電磁流動(dòng)控制(ElectromagneticFlowControl，EMFC)研究分為磁流體力學(xué)(MagneticHydrodynamics，MHD)和電磁流體力學(xué)（ElectromagneticHydrodynamics，EMHD）問題。采用電磁力來控制具有一定電導(dǎo)率的流體的流動(dòng)，尤其是弱導(dǎo)電流體（如海水、弱電解

2、質(zhì)溶液等）的流場結(jié)構(gòu)，是通過對流體邊界層結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與調(diào)整以實(shí)現(xiàn)控制，其控制作用體現(xiàn)為非線性控制的綜合效果，屬于典型的EMHD方面的研究問題。這種流動(dòng)控制技術(shù)可減小航行器的阻力、增強(qiáng)或抑制旋渦，對于增加航行器的推進(jìn)效率、增加可操縱性和機(jī)動(dòng)性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著人們對非線性科學(xué)（如非線性優(yōu)化控制）的研究取得了重要的進(jìn)展、對湍流機(jī)理研究的進(jìn)一步深入（如流體混合層、近壁剪切湍流的擬序結(jié)構(gòu)，湍流標(biāo)度率的認(rèn)識等），電磁場對弱導(dǎo)電流體流動(dòng)控

3、制研究的課題已經(jīng)成為近年來流體力學(xué)和電磁流體力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向，形成了電磁湍流控制(ElectromagneticTurbulenceControl，EMTC)的研究熱點(diǎn)。
　　 本文采用層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下的有限體積法求解帶電磁力源項(xiàng)的Navier-Stokes方程，對圓柱繞流、圓球繞流和潛艇及其附體流場的三維結(jié)構(gòu)特征及其電磁力控制效應(yīng)的問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。
　　 主要的研究結(jié)果如下:
　　 (1)圓柱繞

4、流在卡門渦街脫落過程中，隨著雷諾數(shù)增大，展向的卡門渦逐漸失去穩(wěn)定性，兩種典型的三維不穩(wěn)定性模式為模式A和模式B。研究結(jié)果表明，模式A流場不穩(wěn)定性的展向波長約為3.3至5倍圓柱直徑，模式B流場不穩(wěn)定性的展向波長約為0.83倍圓柱直徑。在圓柱繞流邊界層區(qū)域內(nèi)施加電磁力后，卡門渦的脫落得到有效抑制，圓柱后滯點(diǎn)附近的壓力得到提升，阻力減小且升力的波動(dòng)被抑制。
　　 (2)與圓柱繞流的分離泡失去對稱性變?yōu)榉嵌ǔＡ鲃?dòng)不同，圓球繞流在三維轉(zhuǎn)捩

5、過程中，尾跡從渦環(huán)變?yōu)殡p線渦，雙線渦失穩(wěn)后變?yōu)榘l(fā)夾渦脫落。在圓球繞流為非定常面對稱流動(dòng)過程中，隨著發(fā)夾渦的脫落升阻力具有相同的變化頻率和相位角。隨著雷諾數(shù)繼續(xù)增大至400左右，渦結(jié)構(gòu)和受力曲線均呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性變化。通過在圓球邊界層施加電磁力后，抑制了發(fā)夾渦的形成和脫落，縮小了圓球后滯點(diǎn)周圍的最小壓力區(qū)域，圓球在流向和垂直于流向方向的受力波動(dòng)被抑制。
　　 (3)針對具有復(fù)雜附體結(jié)構(gòu)的潛艇模型，分析了由于附體的擾動(dòng)對潛艇主體流場的影

6、響，分析了不同雷諾數(shù)和航行姿態(tài)下潛艇主體及其附體流場的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律;通過利用電磁力對潛艇附體的局部流場進(jìn)行控制，改善了潛艇的整體流場和動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果表明，在潛艇及其附體流場中，隨著雷諾數(shù)量級的增大，圍殼后尾渦的脫落對流場的擾動(dòng)作用越來越大。在其他參數(shù)相同且航行姿態(tài)不同時(shí)，偏航時(shí)的流場較直航時(shí)穩(wěn)定，下俯時(shí)的流場較上仰時(shí)的流場穩(wěn)定。通過在圍殼邊界層施加電磁力控制后，圍殼后的尾渦被抑制為穩(wěn)定的線狀渦。對于帶尾舵和鰭翼的潛艇流場，電磁力也可以