基于等离子激励器诱导流向涡的湍流边界层闭环控制实验研究

The lasting high fuel costs and worldwide energy concerns highlight the necessity and urgency for drag reduction research. This work aims to study the turbulent boundary layer control and to expand our open-loop control (50% drag reduction achieved; Li et al. 2014; Wong et al. 2015) to closed-loop control, specifically, (1) to investigate the dependency of skin-friction-drag reduction on pulsing frequency and duty cycle of plasma-generated streamwise vortices, aiming to achieve the maximum drag reduction, (2) to study the fluctuating wall shear stress and the fluctuating streamwise flow velocity, and their connection with streamwise vortices and hence the drag, (3) to develop a closed-loop control coupled with DBD plasma actuators for drag reduction using the two quantities or their combinations as the feedback/feed-forward signals, (4) to understand the physical mechanisms behind the effective control. To this end, flow diagnostic techniques such as PIV, smoke flow visualization and hotwires will be used to characterize the boundary layer. The measured data will be analyzed in detail to gain insight into the flow physics and drag reduction mechanisms under control.

全球能源问题与高昂的燃料成本突出了研究有关减阻课题的必要性和迫切性。本项目是基于已完成的开环控制研究工作（减阻达50%；Li et al. 2014；Wong et al. 2015）进一步开展湍流边界层闭环控制的研究。主要有以下四个方面的研究内容：（1）研究壁面摩擦阻力与等离子激励器诱导流向涡的脉冲频率及占空比之间的关系，从而实现最大减阻；（2）研究壁面脉动剪切应力和近壁面流向脉动速度以及它们和近壁面流向涡及壁面摩擦阻力之间的联系；（3）设计一种闭环控制系统，分别采用壁面脉动剪切应力和近壁面流向脉动速度或者它们的组合作为前馈和反馈信号，以此来减少壁面摩擦阻力；（4）揭示流体物理及控制机理。为实现上述目标，边界层内的变化将用粒子图像测速技术、烟线流动显示、热线来测试，对相关的数据进行分析，了解在施加主动控制下边界层内的流动变化和控制机理。

本项目工作分为四部分。(1) 在充分发展的湍流边界层中通过开环稳态控制使得在一个区域内平均减阻量达24%的基础上，深入理解物理机制，并提出以下减阻机理：等离子激励器诱导流向涡抑制了准流向涡在展向方向的运动，从而使得高速和低速条带更加稳定，因此，极大地减少了准流向涡的产生，从而阻断湍流再生循环。(2) 研究等离子体激励器的工作参数，包括电压、脉冲频率、占空比及新型驱动信号（正弦波与直流波形叠加生成的信号）对等离子体激励器的流动特性的影响。项目设计了一套可以直接测量壁面摩擦阻力的测力天平的同时给出了其标定方法，此装置获得了国家实用新型专利。项目寻找和采用了最佳的非稳态控制参数（电压、占空比和脉冲频率分别为 6 kV，90%和50 Hz），获得的平均减阻量达20%。该成果已经在国内外会议中报道。（3）项目成功利用两个高精度麦克风测量壁面压力信号并设计了新的滤波算法来提取壁面信号，同时研究了壁面脉动剪切应力和近壁面脉动压力以及它们和壁面摩擦阻力之间的联系。研究发现在边界层内猝发现象发生的过程中，壁面的压力信号会出现剧烈的低幅震荡，该发现为后续闭环控制设计提供了技术基础。（4）成功研发比例微分（PD）前馈闭环控制系统，采用壁面脉动压力信号作为前馈信号。项目发现当比例系数为6.0和微分系数为0.35时，在展向方向区域（壁面单位区间：67-167）的平均减阻率可以达到26%，控制效率（减阻率与单位电极长度功耗的比值）为0.022，相对于开环稳态控制最佳减阻情况(0.018)的系统效率提升了19%，即在相同的控制效果下，大大节省了输入系统的能量。最后，开环稳态控制的减阻机理的工作在2018年10月国际流体力学顶级期刊 Journal of Fluid Mechanics上投稿。