一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法，该控制系统包括形状选择功能模块及壁面控制变形功能模块；形状选择功能模块用于选择壁面的波浪形状；述壁面控制变形功能模块使用波浪形状控制方程，计算节点波浪变形速度并传输给壁面对应节点，控制壁面整体进行变形，使壁面起伏状态类似波浪行进，通过干扰湍流边界层进行湍流减阻。本发明专利技术能够有效地减小摩擦阻力以及总阻力，并且不需要流场信息采集，只需根据来流速度就可以选择壁面行波运动的速度，在工程实用中控制更为简便实用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法


[0001]本专利技术属于湍流减阻
，尤其是一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法。

技术介绍

[0002]对于水下航行器和水上船只来说，减少阻力能够减少能源的损耗和提高速度。研究减少摩擦阻力的技术意义重大，而摩擦阻力主要由湍流产生，湍流减阻控制一直是流体力学和工程领域中的重要课题。湍流减阻的研究不仅能够节约能源、提高运输工具的续航性能。同时，在军事上也备受关注。例如减小导弹、鱼雷、军舰、潜艇等所受的阻力，可提高其航行速度、减小噪声，对其作战及生存能力具有重大意义。
[0003]湍流减阻技术根据有无外界能量或物质输入将其可以划分为主动和被动减阻技术两类。两种减阻技术通过不同的方式影响边界层内湍流结构的发展，抑制湍流猝发，维持近壁面湍流流动的稳定，从而达到减阻目的，并且各有其优势和劣势。其中主动减阻技术通过对近壁面流场施加外界干扰来降低阻力，能够针对复杂流场进行调控，具有较高的减阻率，但需要在艇体上安装相应的控制装置或控制系统，容易破坏艇体表面的整体结构，增大了工艺成本，而且需要持续的提供添加剂或能量。而被动减阻技术则不需要外界输入额外的能量，它通过改变流场中物体的表面结构或特性引起流场的变化，从而降低表面阻力，但减阻性能往往不如主动减阻技术。
[0004]主动反馈控制基于对流场信息的采集，采用特定的控制策略及致动方式，能够较为精确地对流场相关结构流向涡等施加控制。但是由于需要采集复杂的流场信息，因此需要许多的感应元件，以及更为复杂的信息处理与控制系统。在实际环境中，若处理近壁面流场信息，则需要大面积的感应元件，且流场信息的壁面y+值不同对控制结果也有较大的影响，传感器精度很难达到如此精确的流场信息获取，因此实用性以及性价比并不高，且复杂程度使得该方法实际应用中容易出现问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法，用于提高湍流减阻的减阻率，解决主动反馈控制系统复杂易损坏等问题，提高工程实用性。
[0006]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，包括形状选择功能模块及壁面控制变形功能模块；
[0008]所述形状选择功能模块用于选择壁面的波浪形状；
[0009]所述壁面控制变形功能模块使用波浪形状控制方程，计算节点波浪变形速度并传输给壁面对应节点，控制壁面整体进行变形，使壁面起伏状态类似波浪行进，通过干扰湍流边界层进行湍流减阻。
[0010]进一步，所述波浪形状为连续函数形状，波浪形状中的单个波浪周期应满足周期与幅值的比值大于5。
[0011]进一步，所述波浪形状为三角函数形状、折线形状、连续的半圆形或半椭圆形。
[0012]进一步，所述波浪形状控制方程与形状选择功能模块选择的波浪形状相关。
[0013]进一步，所述波浪形状为正弦函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：
[0014][0015]其中，H＝2A，A为波幅；λ为波长；ω＝2π/T，T为周期，t为运行时间；
[0016]行波运动的速度c＝λ/T，且运动方向，方程中“+”代表波速与流速方向相反，方程中的
“‑”
代表波速与流速方向相同；
[0017]所述波浪形状为折线函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：
[0018][0019]其中，k为任意值，用于控制折现斜率；α为半个波长；round函数指对数据进行四舍五入；ω为波速，x为流向位置坐标。
[0020]一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1、使用壁面形状选择模块选择波浪形状，并建立流体域模型并划分网格；
[0022]步骤2、利用CFD方法对流体域模型进行稳态计算至收敛；
[0023]步骤3、利用CFD方法对流体域模型进行瞬态计算；
[0024]步骤4、通过壁面控制变形功能模块的节点波浪形状控制方程，计算节点波浪变形速度并传输给壁面对应节点，控制壁面整体进行变形，使壁面起伏状态类似波浪行进，实现对壁面行波运动湍流减阻的主动控制功能。
[0025]进一步，所述步骤4后还包括如下步骤：在变形控制过程中，利用监控装置观察壁面摩擦阻力以及总阻力变化情况，得到多个壁面变形后的阻力。
[0026]进一步，所述波浪形状为连续函数形状，波浪形状中的单个波浪周期应满足周期与幅值的比值大于5。
[0027]进一步，所述波浪形状控制方程与波浪形状相关，当波浪形状为正弦函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：
[0028][0029]其中，H＝2A，A为波幅；λ为波长；ω＝2π/T，T为周期，t为流速；
[0030]行波运动的速度c＝λ/T，且运动方向，方程中“+”代表波速与流速方向相反，方程中的
“‑”
代表波速与流速方向相同；
[0031]所述波浪形状为折线函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：
[0032][0033]其中，k为任意值，用于控制折现斜率；α为半个波长；round函数指对数据进行四舍五入；ω为波速。
[0034]本专利技术的优点和积极效果是：
[0035]1、本专利技术根据不同的波浪形状计算节点波浪变形速度并传输给壁面对应节点，控制壁面整体进行变形，使壁面起伏状态类似波浪行进，进而干扰湍流边界层，达到达到减小摩擦阻力以及总阻力的效果，其作为湍流减阻的主动控制方法，在不同速度下获得了较好的减阻效果，尤其是壁面波浪运动速度大于来流速度时总阻力减阻率效果非常明显。
[0036]2、本专利技术不需要流场信息采集，只需根据来流速度就可以选择壁面行波运动的速度，在工程实用中控制更为简便。
[0037]3、本专利技术可以根据改变壁面变形的波浪形状来分析形状对湍流减阻的影响，为湍流减阻提供科学依据。
附图说明
[0038]图1是本专利技术的壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统及方法流程图；
[0039]图2是本专利技术的壁面行波运动流体域模型与网格划分图；
[0040]图3是使用行波运动变形前后的壁面湍流平板速度前后对比图。
[0041]图4是使用行波运动变形前后的壁面湍流平板切应力前后对比图。
具体实施方式
[0042]以下结合附图对本专利技术做进一步详述。
[0043]一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，包括形状选择功能模块及壁面控制变形功能模块，上述功能模块采用UDF程序实现。
[0044]所述形状选择功能模块用于选择壁面的波浪形状。波浪形状可以是三角函数形状或者已存在的连续函数形状，在选择波浪形状时，可以通过公式表达函数形状，如折线形状、连续的半圆形或半椭圆形等。通常来说，波浪形状中的单个波浪周期应满足周期与幅值的比值大于5。
[0045]所述壁面控制变形功能模块使用波浪形状控制方程，计算节点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：包括形状选择功能模块及壁面控制变形功能模块；所述形状选择功能模块用于选择壁面的波浪形状；所述壁面控制变形功能模块使用波浪形状控制方程，计算节点波浪变形速度并传输给壁面对应节点，控制壁面整体进行变形，使壁面起伏状态类似波浪行进，通过干扰湍流边界层进行湍流减阻。2.根据权利要求1所述的一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述波浪形状为连续函数形状，波浪形状中的单个波浪周期应满足周期与幅值的比值大于5。3.根据权利要求1或2所述的一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述波浪形状为三角函数形状、折线形状、连续的半圆形或半椭圆形。4.根据权利要求1或2所述的一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述波浪形状控制方程与形状选择功能模块选择的波浪形状相关。5.根据权利要求1或2所述的一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述波浪形状为正弦函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：其中，H＝2A，A为波幅；λ为波长；ω＝2π/T，T为周期，t为运行时间；行波运动的速度c＝λ/T，且运动方向，方程中“+”代表波速与流速方向相反，方程中的
“‑”
代表波速与流速方向相同；所述波浪形状为折线函数形状时，波浪形状控制方程y表示为：其中，k为任意值，用于控制折现斜率；α为半个波长；round函数指对数据进行四舍五入；ω为波速，x为流向位置坐标。6.如权利要求1至5任一项所述的一种壁面行波运动湍流减阻的主动控制系...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐俊，李佳勇，
申请(专利权)人：苏州静声泰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：