湍流边界层主动减阻及机理研究

The needs for improving civil aircraft economy and aerodynamic performance of flying vehicles in defense highlight the necessity and urgency for turbulent boundary layer control research. The project is a continuation of our earlier successful campaign aiming to control actively the skin-friction drag in a turbulent boundary layer over a flat plate (Bai et al. 2014). Five specific tasks are proposed. (1) Gain improved understanding of turbulent boundary layer; (2) Develop an efficient and effective skin-friction drag reduction technique based on (i) unsteady minijets through one array of longitudinal slits and (ii) plasma-actuator-generated streamwise vortices, with a drag reduction target of 30-50%. (3) Expand our linear single-input and single-output closed-loop control system into a multi-input and multi-output system. (4) Explore a nonlinear controller based on the adaptive inverse neural network algorithm. (5) Understand the physical mechanisms behind effective control. To this end, flow diagnostic techniques such as PIV, LIF flow visualization and hotwires will be deployed to characterize the boundary layer with and without control. The measured data will be analyzed in detail using various techniques.

湍流边界层控制具有重要的经济和军事价值。项目旨在研发高效、接近甚至可以用于工程的湍流边界层主动减阻技术。我们前期预研工作已取得在国际上受到高度关注的重要突破。本项目将进一步研究：(1) 湍流边界层流动物理；(2) 高效减阻方法，分别采用两种驱动器，即通过流向狭缝周期变化微射流阵列和等离子体产生的流向涡阵列，控制平面整体减阻目标30-50%；(3) 将已研发成功的线性控制单输入单输出前、反馈组合闭环控制平台扩展为多输入多输出系统；(4) 基于自适应逆神经网络的非线性闭环控制系统； (5) 利用各种测试技术(热线、高速PIV、烟线流动显示等)测量控制前、后的湍流边界层，并深入进行数据分析、比较(采用空间-时间互相关，条件采样与平均，本征正交分解等)和理论分析，揭示流场物理及控制机理。

湍流边界层主动减阻控制的实验研究在流体力学领域是一大挑战，原因是建设物理实验平台必须解决三个主要难题：1）准确捕捉极小量级摩阻（10-4N）并对其标定，2）研发可与湍流边界层拟序结构相互作用的激励器，3）提出可控制高度复杂湍流边界层的控制方法。本项目在以上三方面均取得重大突破，简介如下。.1)微小摩阻的测量技术及其标定方法.风洞实验中摩阻变化在10-4N量级，市面上没有能够测量如此微小摩阻的产品。课题组成功研发了多种能够测量近壁面摩阻的高精度方法，包括研制成功具有自主知识产权的浮动平板测力天平（可捕捉量级10-4N摩阻变化）及其标定方法（极小的摩阻导致传统标定方法已不再适用，团队创新性地提出一原位标定方法）。测量技术的成功研发为湍流边界层摩阻控制提供了强有力的工具。.2)成功研发可与湍流边界层拟序结构相互作用的激励器.基于团队对湍流边界层内部拟序结构的充分掌握，成功研发了（i）流向狭缝微射流阵列，(ii) 等离子体激励器阵列，(iii) 零质量射流阵列（每支质量射流均可独立控制）等多种高效、接近甚至可以用于工程的激励器，并详细阐明了激励器如何控制湍流结构及对应的减阻机理。值得一提的是，方法（i）和 (ii) 皆取得超70%减阻量，且方法（i）获得了净节能。.3)控制方法的开发.高效的控制方法是湍流边界层主动减阻控制不断追求的目标。团队开发了包括开环控制、阈值触发、前馈、反馈以及前反馈相结合的闭环控制，大幅提高了控制效率，在保持减阻量不变的情况下最大节省了70%的能量输入；首次尝试将人工智能方法应用在湍流边界层控制实验中，大幅超过开环控制减阻效果，以零质量射流激励器为例将展向平均减阻由45%提高至52%，这一成果充分证明了人工智能在湍流边界层控制领域的巨大潜力和广阔应用场景。.研究成果获得工业界青睐，课题组已和工业界达成合作协议，尝试将项目研发的吹气减阻技术应用于600公里时速磁悬浮列车，工业界注资约400万用于减阻技术工程验证。