基于PD控制下的等离子体激励器湍流边界层减阻

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交通工具的表面摩擦阻力与湍流边界层中的拟序结构紧密相关。随着寰球能源的快速消耗和环境污染问题的日益突显,使用主动控制方法控制这些拟序结构,在达到减阻量的基础上并提高控制效率是亟待解决的问题。本文在动量雷诺数为1450下,基于等离子激励器搭建PD(比例微分)前馈控制系统来实现对湍流边界层的减阻控制。等离子激励器上游的压力脉动信号作为PD前馈控制系统的输入信号,通过“振动噪声相减技术”(Vibration-noise-cancellation Technique),即两只麦克风压力信号相减和卡尔曼滤波器滤波之后来获得真实的壁面压力脉动信号。测力天平用来测量等离子激励器下游100个壁面单位处200 mm × 50 mm(1333.3 ×333.3壁面单位)区域的空间平均减阻量。在等离子激励器下游166.7个壁面单位处使用热线测量速度信号,并通过可变间隔时间平均(Variable Interval Time Average,VITA)的方法分析距离壁面5个壁面单位处在控制前后猝发频率以及urms的变化。最后通过烟线流动显示技术观察控制前后的流场结构的变化。在PD前馈控制系统中,选择15个比例系数Kp(1≤Kp≤25)和17个微分系数Kd(0.01≤Kd≤1)进行参数组合寻优,当Kp为5,Kd为0.2时可以达到最大空间平均减阻为-16%,略低于开环控制下的-18%。但PD前馈控制下的控制效率(其中Foff和Fon分别表示关、开激励器时浮力板的表面摩擦阻力,U∞表示自然来流速度,Pinput表示等离子激励器输入功率)相对于开环控制提高了31.1%,功率消耗仅为开环的70.25%。对PD前馈控制后的电压幅值和下游的速度信号进行功率谱分析,激励器的电压幅值在PD前馈控制下按照f=40 Hz进行开启关闭等离子激励器,速度信号在f=40 Hz同样有个峰值,表示PD前馈控制下涡结构按照40 Hz进行摆动。这种不稳定的现象对大尺度流向涡抑制近壁面区域的urms值不利,从烟线流动显示技术观察到,输入功率为稳态控制70%的非稳态控制下条带结构并没有稳态控制稳定,由此PD前馈控制减阻效果略低于开环控制。通过对同时采集到的压力信号、等离子体激励器电压信号和下游的速度信号分析发现,当拟序结构上扬下扫带来大幅度压力波动时(|Pe|>0.016Pa),激励器电压E会增大其幅值进行控制,由此PD前馈控制可以节约能耗,从而提高控制效率。
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