基于局部表面振荡的湍流边界层闭环控制实验研究

此项目是在已经取得重要突破（减阻达50%）的开环控制基础上进行（Bai et al. 2011）， 将进一步研究：（１）湍流边界层中壁面脉动摩擦力、壁面脉动压力、近壁面流向脉动速度，以及它们之间的相互关系，这些物理量与近壁面流向涡和壁面摩擦阻力紧密相连；（２）以减少壁面摩擦阻力为控制目标，把上述三个物理量或者它们之间的组合作为前馈和反馈信号，提出一种有效的线性闭环控制系统并进行验证；（３）探索性地提出一种基于自适应逆神经网络的控制系统并应用于湍流边界层减阻控制；（４）利用多种实验技术（热线、热膜、PIV，以及烟线流动显示）测量控制后的湍流边界层，并与控制前的数据进行分析比较（采用空间-时间互相关，条件采样与平均，以及本征正交分解（POD）等处理方法），以揭示流体物理及控制机理。

本项目工作分为三部分。(1) 在采用压电陶瓷片阵列产生的横向波局部减阻量达50%的基础上，深入理解物理机制，并提出以下减阻机理：(a) 沿横向波产生一系列流向涡，形成一隔离区，截断或减弱了湍流边界层拟序结构与壁面联系，即中断了湍流产生的循环过程（Turbulence production cycle）；(b) 研究发现该隔离区耗散率大幅增加，使湍流边界层趋于层流化。二者均使壁面摩擦阻力降低。(2) 针对压电陶瓷片阵列产生的减阻区恢复迅速的缺点（即减阻区小），项目提出采用脉冲式狭缝射流阵列减阻的新方法，并发现该方法减阻高达70%，并且减阻恢复速度大幅减慢，较压电陶瓷片阵列减阻区域增大三倍。该工作已经在国际会议中报道，目前正在准备期刊论文。(3) 成功研发湍流边界层闭环减阻控制系统。本项目利用上、下游热线探针，dSPACE 实时控制系统，传递函数及压电陶瓷振动片等组成了闭环控制系统。对比了四种控制系统，即开环控制、前馈控制、反馈控制、前馈与反馈控制。这四种控制系统的最大壁面剪切应力减阻量分别为的在开环控制系统的减阻量为30%, 24%, 20% 与28%，对应的占空比分别为100%, 50%, 50%与62%。这表明闭环控制系统利用压电陶瓷振动片针对高阻力区的控制策略在湍流边界层中展示了良好的效率，大大节省了输入的控制能量。在开环控制系统的减阻量为30%与占空比为50%的条件下，非线性模糊闭环控制系统的壁面减阻率达到了25%。最后，压电陶瓷片的减阻机理使得此项工作在2014年发表在国际流体力学顶级期刊 Journal of Fluid Mechanics上，并两次受邀赴德国Aachen 大学做国际会议特邀报告。