全局线性不稳定性引导下钝体零净质量尾流控制方法

【作者】 周蕾； 朱清驰； Kam Tim Tse； 何旭辉；

【机构】 香港科技大学土木与环境工程系； 东北林业大学土木工程与交通学院土木工程系； 中南大学土木工程学院土木工程系；

【摘要】 长宽比为5的矩形是工程实践中广泛使用的钝体模型。当流体流过时,周期性的旋涡脱落降低了近尾流的稳定性,易导致流激振动问题的发生。经典的流动控制方法常分为主动流动控制和被动流动控制,效率低下,资源消耗大。因此,寻找一种高效、准确的方法来确定流动控制位置至关重要。在本研究中,分析了长宽比为5的经典钝体模型在低雷诺数(Re=50～300)及小流动攻角(α=0°～5°)下的流动特征。同时采用全局线性不稳定性和敏感性分析确定了流动控制的最佳位置。首先采用传统的主动控制方法(吸气、吹气)来观察控制效果。然而,这两种控制方法都需要外部流量的输入与输出。为了实现更理想的效果和控制措施,提出了一种新的零净质量尾流控制方法——基于仿生学的呼吸阀控制方法(BVC)。研究结果显示,增大攻角和雷诺数会促进旋涡脱落。敏感性图谱中钝体的下方和背风侧呈现出聚集的敏感区,故将其设置为流动控制区域。在背风侧采用的射流控制有效抑制了旋涡脱落,并利用高阶动态模态分解(HODMD)解释了其机理。奇数阶模态主导了流场的活跃程度。在射流控制后,奇数阶模态的能量得到了有效抑制。下侧的吸气控制有效地缓解了由于较高攻角引起的剪切层分离现象。BVC在不增加额外质量源和排气措施的情况下实现了流体循环过程。BVC不仅适用于各种攻角和雷诺数,且其控制效果优于单一的吸吹气控制。这种方法简化了控制系统的设计,同时保证了系统内流体的综合利用效果。本研究旨在为常见工程构件形式的流动控制策略提供有意义的见解,以降低由流致振动诱发的潜在风险。更多还原