基于智能蒙皮的可压缩湍流主动减阻控制研究

Skin-friction caused by turbulence constitutes a large fraction of the total drag when the aircrafts flying and any reduction of turbulence friction entails substantial savings of the operational cost as well as obviously increasing the flying efficiency. Therefore, direct numerical simulations are carried out in the present project to assess the potential drag reduction of compressible wall turbulence by using smart wall approach and active control methodology. The main contents of the project consist of of following aspects. (1) Numerical methods which are suitable for the direct numerical simulation of compressible wall turbulence are developed. A novel approach is employed to optimize the spectral properties of the shock-capturing schemes to make them have good spectral properties as well as robust discontinuity-capturing capabilities. (2) The active control approaches based on the measurable quantities are devised. The relationship between the measurable quantities and the near-wall coherent structures is firstly established. Then the active control methods are designed to supress the near-wall coherent stuctures aiming at skin-friction reduction. (3)The fundamental mechanisms of the drag reduction are investigated.The effects of the active control on the compressible wall turbulence are studied by employing the turbulence statistical quantities, the near-wall coherent stuctures, and the transport of the tubulent kinetic energy, etc. In summary,this project aims to supply active control methodologies which are suitable for skin-friction reduction of aircraft in real-project applications. We also want to deepen our understanding on the compressible wall turbulence by the investigation of the drag reduction mechanisms.

飞行器运动过程中，周围湍流边界层产生的摩擦阻力在总阻力中占有很大的比重。有效地控制湍流边界层的摩擦阻力可大大提高飞行器的运行效率，节约运行成本。本项目拟采用直接数值模拟方法，利用智能蒙皮和主动控制技术对可压缩湍流的减阻问题进行研究。主要研究内容如下：（1）可压缩壁湍流的直接数值模拟方法：通过激波捕捉格式的谱特性优化，使得格式既能够模拟湍流的高波数成分，又能够很好地捕捉激波。（2）基于壁面可测信号的主动减阻控制方案：首先建立起壁面可测信号与可压缩壁湍流近壁相干结构的关系，然后设计控制方案，利用壁面可测信号抑制近壁湍流相干结构，达到减阻的目的。（3）减阻的机理：通过湍流统计量，近壁相干结构的动力学过程和湍动能的输运等分析主动控制对可压缩湍流近壁区相干结构的影响，进行减阻机理的研究。项目旨在为飞行器提供能够工程实用的主动减阻控制方案，并通过减阻机理的分析，加深对可压缩湍流的认识。

飞行器运动过程中，周围湍流边界层产生的摩擦阻力在总阻力中占有很大的比重。有效地控制湍流边界层的摩擦阻力可大大提高飞行器的运行效率，节约运行成本。本项目利用直接数值模拟的方法，对可压缩湍流的主动减阻控制问题进行了研究，主要内容及结论如下：（1）高精度数值格式谱特性优化研究。本项目对高精度差分格式的色散和耗散特性进行了研究，在色散和耗散分别优化的基础上，进一步提出了利用色散-耗散条件确定格式耗散的大小。发展了具有六阶精度的、耗散可控的低色散有限差分格式和具有四阶精度的、耗散可控的低色散紧致-WENO混合格式，数值算例证明了这两种格式具有高分辨率的同时，具有很好的激波捕捉特性，为可压缩湍流的精细数值模拟奠定了基础。（2）可压缩湍流的主动减阻控制方案与减阻机理研究。本项目利用智能蒙皮的制动方案，对可压缩湍流的反向控制和次优控制进行了研究。具体方案是通过在槽道下壁面布置一系列可以智能运动的凹坑，依据相应的控制方案对凹坑运动进行控制，以减小壁面的摩擦阻力。利用反向控制，对马赫数为0.33和1.5的槽道湍流分别得到了月15%和12%的减阻效果。同时发现，为了有效减阻，凹坑的尺寸在展向应与条带结构的尺寸相当，而在流向应该拉长。智能凹坑对湍流脉动的抑制和对近壁区平均流向速度梯度的削弱是摩擦力减小的主要原因。（3）低雷诺数翼型的分离控制与减阻控制研究。利用隐式大涡模拟对低雷诺数翼型绕流进行了主动控制研究。首先，尝试利用壁面垂向反向控制方案在分离区进行控制。研究表明，反向控制作用相当于基于流场信息的壁面抽吸控制，控制使得翼型前缘附面层变薄，并增强了其抗逆压梯度的能力，使转捩点推迟到了尾缘。然后，在转捩点后的湍流边界层处利用反向控制方案对翼型进行减阻控制，发现反向控制阻断了流向涡的法向输运，抑制了涡结构的发展并减弱了猝发过程使得湍流的高摩阻力得到了有效降低。