涡生摆线振荡的电磁优化控制

With the development of science and technology (hydrodynamics、control theories、numerical technique、material science and so on) and the requirement of relative field (avigation、navigation and so on), the flow control has been the foreland and hotspot of hydrodynamics. Many researchers focus on Lorentz force control which holds original advantages for drag reduction and oscillatory suppression of flow control technologies. We plan to investigate optimal control of vortex-induced in-line oscillation by Lorentz force combining experiments, numerical calculations and theory analysis in this project which is from oscillation mechanism to control mechanism to optimal control methods. The detail contents include: 1. The variations of flow field, drag-lift and displacement of vortex-induced in-line oscillation for uniform flow and shear flow. 2. The control process and control mechanism of vortex-induced in-line oscillation by Lorentz force for uniform flow and shear flow. 3. The optimal control of time and space for Lorentz force and the investigations of feedback flow control. Finally, the control of vortex-induced in-line oscillation will be accomplished by Lorentz force, and the control mechanism of Lorentz force will be revealed. The mechanism of oscillatory suppression with Lorentz force and the optimal control approaches are known comprehensively in this project. The new thinking of oscillatory suppression and optimal methods can support many engineering projects of vortex-induced vibration (navigation, avigation, architecture field and so on) which have important practical values and acdemic significance.

随着科学技术(流体力学、控制理论、数值方法和材料科学等)的发展和相关领域（航空和航海等）的实际需求，流动控制的研究已经成为流体力学的前沿和热点问题。在以减阻减振为目的的流动控制技术中，电磁力以其独到的优点，受到特别的关注。本项目将通过实验、计算和理论分析相结合，同时展开对涡生摆线振荡的电磁优化控制的研究，从振荡机理到控制机理再到优化方法，具体内容包括：1.均匀来流和剪切来流条件下，涡生摆线振荡的流场、升阻力和位移的变化规律。2.均匀来流和剪切来流条件下，涡生摆线振荡的电磁控制过程及其控制机理。3.电磁控制在空间和时间上的优化，以完成反馈式流动控制。最终实现以减振为目的，涡生摆线振荡的电磁优化控制，并揭示其电磁控制机理。该项目的开展可以全面认识电磁力减振机理和优化途径，并对涡诱导的结构振动大量工程问题(如航海，航空，建筑领域等), 提供新的减振思路和优化方法，具有重要实用价值和学术意义。

电解质溶液中，电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动。将其用于钝体的振荡时，可以消除涡街、减少阻力和抑制振动。本项目对涡生振荡及其电磁控制进行实验和数值研究。.1) 将指数极坐标建立在运动圆柱上，推导了剪切来流涡生振荡的涡量流函数方程、初始和边界条件及圆柱的水动力分布方程和运动方程。结果表明：沿法向，主导涡的拖拽使圆柱一侧的剪切层增强，而圆柱位移加强了圆柱另一侧剪切层的强度，与主导涡的作用效果相反；沿流向，主导涡通过诱导改变二次涡的强度，进而改变圆柱尾部的压力，而圆柱位移产生抽吸壁面，对二次涡强度的改变，亦与主导涡的效果相反。且在两个方向上都是圆柱位移产生的效果较尾涡的大，因此在流场力的合效果中占主导。.2) 对电磁力的消涡、减阻和减振机理进行了研究。结果表明：电磁力按其作用效果可以分为流场电磁力和壁面电磁力。流场电磁力通过改变流场从而改变圆柱的受力，这部分的作用效果可以增大边界层流体的动量，抑制流动分离，进而抑制尾涡的脱落，消除了剪切层和二次涡的诱因，使升力的振幅逐渐减小最终抑制圆柱振荡；另一部分是电磁力的直接作用来改变圆柱的受力，这部分的作用效果对流场没有影响，仅仅增加圆柱尾部的推力来减阻，对减振没有效果。.3) 基于控制理论，对涡生振荡进行闭环控制。在设定控制指标之后，通过流场和圆柱的受力来决定下一步所施加的电磁力的大小，在下一步的电磁力作用之后，流场又进一步发生了变化，将再次反馈新的电磁力，从而得到控制全过程的优化电磁力。计算结果表明，利用该优化控制量，可以有效的控制绕流和振动。.在基金资助下，项目组成员以第一作者身份发表和录用论文共19篇，其中SCI论文7篇（一区1篇，二区2篇，3区4篇。分区以Web of Science数据库为准），EI论文2篇，特邀稿件2篇，参加国内外会议8次。期间，项目负责人以相关内容获得“全国百篇优秀博士论文奖”（2013年），入选江苏省“六大人才高峰”计划（2015年），获得“南京市第十一届自然科学优秀学术论文奖”（2015年），并以第一作者身份申请“国家科学技术学术著作出版基金”，《科学出版社》已协议出版专著《涡生振荡及其电磁优化控制》（2016年）。项目负责人所指导的研究生获得“2015年全国力学大会优秀学生论文奖”，申请并立项江苏省研究生创新基金。