專利名稱：一種剪切層流動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流動控制技術(shù)領(lǐng)域，用于實現(xiàn)剪切層流動的精確控制。
背景技術(shù)：
大尺度結(jié)構(gòu)是剪切層中最本質(zhì)特征，主導(dǎo)其動力學(xué)過程。與剪切層相關(guān)的應(yīng)用很多，不同時候，對剪切層有不同的要求。例如，超燃沖壓發(fā)動機要求增強混合，需要剪切層渦卷快速群并。而在氣動光學(xué)窗口中，要求削弱氣動光學(xué)效應(yīng)；在發(fā)動機尾噴管附近，群并渦卷是最主要的噪聲源；這都需剪切層渦卷以撕裂方式演化實現(xiàn)混合抑制。剪切層對外部擾動十分敏感，為剪切層控制提供了一種思路。這種思路的核心在于外部擾動通過感受性在剪切層中快速猝發(fā)相應(yīng)的大尺度結(jié)構(gòu)，“這些大尺度結(jié)構(gòu)隨外部擾動而變”，因而通過控制外部擾動可實現(xiàn)剪切層流動控制。用擾動來控制剪切層有兩類方法一類是被動控制方法，一類是主動控制方法。一種最主要的被動控制方法是在剪切層隔板上粘貼薄片，如圖1所示，當(dāng)來流流過這些薄片， 根據(jù)薄片的幾何特征尺度感受出對應(yīng)頻率的擾動波。矩形薄片引入二維擾動，三角形薄片引入三維擾動；薄片為突起物，通過流動感受性感受出某種擾動，該擾動的頻率從三角形的高度感受出，擾動的幅值從薄片的厚度感受出。另一種被動控制方法是利用反饋機制，例如對于凹腔流動，聲波從下游角點反射回上游角點，對來流流動產(chǎn)生擾動，通過設(shè)計凹腔長度，可使這一擾動產(chǎn)生具有某一頻率的擾動波。主動控制方法比被動控制方法復(fù)雜，但更為有效，如在剪切層隔板后緣加裝類似拍翼的裝置，通過機械運動引入擾動，并獲得某種頻率的擾動。但是，上述方法均只利用到擾動的頻率特性，因而，一般只能獲得混合增強效果，并不能滿足各種需求，如對于混合抑制的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有剪切層流動控制方法的缺陷，提供一種實現(xiàn)簡單、可同時模擬擾動頻率和相位的剪切層流動控制方法。本發(fā)明包括如下技術(shù)方案—種剪切層流動控制方法，用于控制剪切層基頻渦卷的演化形式，包括如下步驟(1)對剪切層流動進行線性穩(wěn)定性分析，獲得剪切層最不穩(wěn)定波的波數(shù)，即基頻擾動波的波數(shù)α??；(2)根據(jù)所要產(chǎn)生的渦卷演化形式，確定基頻擾動波與亞諧擾動波的相差Δ φ ；(3)利用交流電信號來模擬基頻擾動波與亞諧擾動波，該交流電信號對電阻加熱， 進而加熱氣流，通過對交流電信號的幅度、相位、頻率的控制實現(xiàn)流動的精確控制。剪切層基頻渦卷的演化形式包括撕裂、中心對稱群并和非對稱群并，控制流動以哪種方式演化取決于基頻擾動波與亞諧擾動波的相差。基頻擾動波記為= A1Cos ( Qlt+Φ^，亞諧擾動波記為fm = AmC0S(amt+cj5m)，其中Cim= ai/m，m為大于等于2的整數(shù)；任意選定(^1，根據(jù)步驟(2)確定的相差 Δ Φ確定出Φω ；交流電信號由兩個余弦交流電信號合成；第一個交流電信號記為U1 = ^(08( 一+91)，令CO1 = Q1, O1 = Ct1，引入基頻擾動波；第二個交流電信號記為U2 = U2Cos (ω 2t+θ 2)，令 ω2 = α m, θ2 = cjim，引入亞諧擾動波；其中，U1, U2，ω” ω2, θ i 與 θ2 都是可控參數(shù)，通過對它們的控制可獲得所需的擾動信號，從而實現(xiàn)流動的精確控制。當(dāng)基頻擾動波與亞諧擾動波的相差Δ φ = 2η π /m時，剪切層基頻渦卷以中心對稱群并方式演化；當(dāng)Δφ = Οη+1) π/m時，剪切層基頻渦卷以撕裂方式演化；當(dāng)2η π/m
<Δ φ < Οη+1) π/m時，剪切層基頻渦卷以非對稱群并方式演化。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于(1)本發(fā)明利用交流電信號，可實現(xiàn)擾動信號的完全定量模擬，且實現(xiàn)簡單；(2)本發(fā)明提出的控制方法不僅考慮擾動的頻率特性，更進一步考慮擾動的相位特性，因而，能夠全方位模擬擾動特性，實現(xiàn)剪切層精確控制；如控制基頻渦卷以中心對稱群并方式演化可實現(xiàn)混合增強，或使基頻渦卷以撕裂方式演化可實現(xiàn)混合抑制；能夠滿足各種應(yīng)用需求。(3)本發(fā)明給出了剪切層基頻渦卷演化形式與擾動相差的定量關(guān)系，克服“盲目控制”，以最小的代價實現(xiàn)最精準的控制。


圖1為現(xiàn)有的剪切層薄片控制方法示意圖；圖2為本發(fā)明的控制裝置示意圖；圖3為本發(fā)明的相差關(guān)系與控制效果示意圖，圖3a為撕裂現(xiàn)象(Δφηπ= (2n+1 ) π/m);圖3b為中心對稱群并現(xiàn)象(Δφηι=2ηπ/Γτι);圖4為本發(fā)明的數(shù)值模擬結(jié)果；圖5為本發(fā)明控制方法的示意圖；圖fe為二渦撕裂形式，圖恥為二渦對稱對并形式。
具體實施例方式對于剪切層流動，不穩(wěn)定波為Tollmien-Schlichting波(簡稱T-S波)，在軸線附近具有余弦函數(shù)形式，可寫為f = Acos (α t+Φ)，其中A代表擾動幅值，α代表波數(shù)或頻率，Φ代表相位。最不穩(wěn)定波(基頻擾動波)記為f\ = A1Cos ( α J+ Φ D，如果擾動波fm =AfflCos ( amt+Φ ffl)的波數(shù)滿足關(guān)系Cim= Ci1Ai,則該擾動波稱為基頻擾動波的l/m次亞諧波?；l擾動波與亞諧波的相差記為Δ φ = φω-φ10本發(fā)明基于線性穩(wěn)定性理論推導(dǎo)確定了剪切層基頻渦卷演化形式，與相差Δ φ 之間的定量關(guān)系，對于任意m(m大于等于2)，當(dāng)ΔΦ = 2η π/m時，剪切層基頻渦卷以中心對稱群并方式演化；當(dāng)Δ φ = ^i+l) π/m時，剪切層基頻渦卷以撕裂方式演化；當(dāng)2n3i/m
<Δ φ < Οη+1) π/m時，剪切層基頻渦卷以非對稱群并方式演化。用數(shù)值計算方法驗證了這些定量關(guān)系，模擬獲得了基頻渦卷演化方式的基本特征。圖3 (a)給出了三渦撕裂情形，圖3(b)給出了三渦群并情形，其中χ代表流動的流向坐標，y代表流動的橫向坐標。圖4給出了三種情形下(Case SC 撕裂現(xiàn)象；Case SA 中心對稱群并現(xiàn)象，SB是非對稱群并現(xiàn)象)的剪切層動量厚度曲線，其中橫坐標χ表示流向位置， 縱坐標八代表動量厚度，可以看到撕裂情形混合得到抑制，遠小于三渦群并情形?？梢钥吹酵ㄟ^控制擾動的相差既可實現(xiàn)混合增強，又可實現(xiàn)混合抑制。由于擾動波f = Acos (at+Φ)具有余弦函數(shù)的形式，因此，可以用同樣具有余弦函數(shù)形式的交流電信號來進行模擬，記交流電信號為u = ucos(on+e)。令ω = α，θ =Φ，交流電信號可以模擬出擾動波信號，尤其是精確模擬基頻擾動與亞諧擾動之間的定量相差關(guān)系，從而實現(xiàn)剪切層流動的精確控制。如圖2所示為本發(fā)明的控制裝置示意圖，隔板上三角形陰影代表電阻加熱區(qū)域， 與隔板平齊；通過交流電信號對電阻加熱，加熱的電阻將加熱氣流，從而引入相應(yīng)的擾動。 因此，根據(jù)需要，設(shè)計合適的交流電信號，通過可控交流電源控制交流電信號，就可實現(xiàn)剪切層流動控制。本發(fā)明的流動控制方法，具體包括如下步驟(1)已知剪切層流動上下來流的流速，溫度，密度，那么，通過線性穩(wěn)定性分析可以獲得該剪切層的最不穩(wěn)定波。即得到最不穩(wěn)定波的波數(shù)al。獲得剪切層最不穩(wěn)定波的方法是現(xiàn)有技術(shù)，具體參考如下文獻“可壓平面混合層穩(wěn)定性分析及數(shù)值模擬”.王強.博士論文，中國科學(xué)院力學(xué)研究所，1999。(2)進行應(yīng)用需求分析，確定是需增強混合還是需要抑制混合，從而選擇利用渦卷合并或撕裂，據(jù)此確定相差Δ φ?；l擾動波記為= A1Cos ( a J+ Φ D，亞諧擾動波記為 fm = Amc0S(amt+cj5m)，任意選定Φ:，根據(jù)Δ φ確定出φω。(3)反向設(shè)計交流電信號。該交流電信號由兩個余弦交流電信號合成。第一個交流電信號記為屮二^⑶“。^+ Θ)，令CO1= Q1, θ1= Ct1，引入基頻擾動波；第二個交流電信號記為U2 =恥08(0^+02)，令ω2 = am, θ2 = (K，引入亞諧擾動波；其中，U1, U2， ωι、ω2，9工與θ 2都是可控參數(shù)，通過對它們的控制可獲得所需的擾動信號，從而實現(xiàn)流動的精確控制。如圖5所示，上圖為兩個交流電信號合成之后的交流電模擬信號；中圖為感受出的擾動信號，其中實線為基頻擾動波，虛線為亞諧擾動波；下圖為所產(chǎn)生的基頻渦卷演化形式。本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種剪切層流動控制方法，用于控制剪切層基頻渦卷的演化形式，其特征在于包括如下步驟(1)對剪切層流動進行線性穩(wěn)定性分析，獲得剪切層最不穩(wěn)定波的波數(shù)，即基頻擾動波的波數(shù)α??；(2)根據(jù)所要產(chǎn)生的渦卷演化形式，確定基頻擾動波與亞諧擾動波的相差△Φ ；(3)利用交流電信號來模擬基頻擾動波與亞諧擾動波，該交流電信號對電阻加熱，進而加熱氣流，通過對交流電信號的幅度、相位、頻率的控制實現(xiàn)流動的精確控制。
2.如權(quán)利要求1所述的剪切層流動控制方法，其特征在于剪切層基頻渦卷的演化形式包括撕裂、中心對稱群并和非對稱群并，控制流動以哪種方式演化取決于基頻擾動波與亞諧擾動波的相差。
3.如權(quán)利要求1所述的剪切層流動控制方法，其特征在于基頻擾動波記為= A1Cos ( α J+ Φ D，亞諧擾動波記為fm = AmCos ( α mt+ Φ m)，其中Qm= α /m, m為大于等于2 的整數(shù)；任意選定，根據(jù)步驟( 確定的相差△ Φ確定出Φω ；交流電信號由兩個余弦交流電信號合成；第一個交流電信號記為U1 = RcoS — it+Θ)，令Co1= Q1, θ1= Cjj1，引入基頻擾動波；第二個交流電信號記為U2 =隊(08( 4+92)，令ω2 = am, θ2= (j^，引入亞諧擾動波；其中，U1;U2，ω” ω2，9工與θ 2都是可控參數(shù)，通過對它們的控制可獲得所需的擾動信號，從而實現(xiàn)流動的精確控制。
4.如權(quán)利要求3所述的剪切層流動控制方法，其特征在于當(dāng)基頻擾動波與亞諧擾動波的相差Δ φ = 2η π/m時，剪切層基頻渦卷以中心對稱群并方式演化；當(dāng)Δ φ = (2η+1) η/m時，剪切層基頻渦卷以撕裂方式演化；當(dāng)2η π/m< Δ φ < Qn+1) π/m時，剪切層基頻渦卷以非對稱群并方式演化。
全文摘要
一種剪切層流動控制方法，用于控制剪切層基頻渦卷的演化形式；首先對剪切層流動進行線性穩(wěn)定性分析，獲得剪切層最不穩(wěn)定波的波數(shù)，即基頻擾動波的波數(shù)α1；然后根據(jù)所要產(chǎn)生的渦卷演化形式，確定基頻擾動波與亞諧擾動波的相差Δφ；最后利用交流電信號來模擬基頻擾動波與亞諧擾動波，該交流電信號對電阻加熱，進而加熱氣流，通過對交流電信號的幅度、相位、頻率的控制實現(xiàn)流動的精確控制。本發(fā)明提出的控制方法不僅考慮擾動的頻率特性，更進一步考慮擾動的相位特性，因而，能夠全方位模擬擾動特性，實現(xiàn)剪切層精確控制。
文檔編號G05B13/04GK102436181SQ20111038194
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者楊武兵, 沈清, 王強 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院