内容简介
《涡生振荡及其电磁优化控制》通过实验、数值计算和理论分析，从一自由度/二自由度的涡生振荡及其电磁控制和流动优化控制三个层次讨论以减振为主要目的的流动控制问题。
《涡生振荡及其电磁优化控制》共7章。第1章为绪论，第2章和第3章为一自由度的涡生振荡及其电磁控制，第4章和第5章为二自由度的涡生振荡及其电磁控制，第6章为振荡与绕流电磁控制的实验验证，第7章为圆柱绕流的电磁优化控制。
《涡生振荡及其电磁优化控制》可作为力学、航海工程、兵器科学、航空航天、控制科学等专业科研人员的参考书，也可供高等院校相关专业研究生和本科生的学习。
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目录
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“电子与信息作战丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 背景和意义 1
1.2 国内外的研究概况 1
1.2.1 圆柱绕流及其控制方法的研究状况 2
1.2.2 电磁力控制流动的研究状况 3
1.2.3 钝体绕流电磁力控制的研究状况 5
1.2.4 剪切来流条件下圆柱绕流及其电磁控制的研究状况 8
1.2.5 涡生振荡及其电磁控制的研究状况 8
1.2.6 流动优化控制的研究状况 9
1.3 本书研究的意义 10
1.4 本书的主要工作 11
第2章 剪切来流下的涡生振荡 13
2.1 流动守恒方程 14
2.2 圆柱表面水动力 14
2.2.1 剪应力与压力 14
2.2.2 阻力和升力 17
2.3 圆柱运动方程 18
2.4 数值方法 20
2.4.1 初始条件 20
2.4.2 边界条件 21
2.4.3 计算方法 21
2.5 结果与讨论 23
2.5.1 尾涡对涡生振荡系统的影响 23
2.5.2 振荡对涡生振荡系统的影响 27
2.5.3 剪切对涡生振荡系统的影响 36
2.6 本章小结 43
第3章 剪切来流涡生振荡的电磁控制 44
3.1 电磁力 44
3.2 流动守恒方程 47
3.3 圆柱表面水动力 48
3.3.1 剪应力与压力 48
3.3.2 阻力和升力 49
3.4 圆柱运动方程 51
3.5 数值方法 51
3.6 结果与讨论 51
3.6.1 电磁力的减阻机理 51
3.6.2 电磁力的增升机理 56
3.6.3 电磁力的减振机理 59
3.6.4 剪切来流涡生振荡的电磁控制 67
3.6.5 流动控制过程的Okubo-Weiss函数守恒 76
3.7 本章小结 83
第4章 两自由度涡生振荡的机理 84
4.1 流动守恒方程 84
4.2 圆柱表面水动力 85
4.2.1 剪应力与压力 85
4.2.2 阻力和升力 86
4.3 圆柱运动方程 87
4.4 数值方法 88
4.4.1 初始及边界条件 88
4.4.2 流固耦合过程 89
4.5 结果与讨论 90
4.5.1 推吸壁面和尾涡的影响 90
4.5.2 剪切来流的影响 99
4.6 本章小结 106
第5章 电磁力控制两自由度涡生振荡 107
5.1 电磁力 107
5.2 流动守恒方程 107
5.3 圆柱表面水动力 108
5.3.1 剪应力与压力 108
5.3.2 阻力和升力 110
5.4 圆柱运动方程 111
5.5 闭环控制的电磁力 112
5.6 数值方法 112
5.7 结果与讨论 113
5.7.1 电磁力对尾涡及圆柱位移的影响 113
5.7.2 总阻力为零的电磁力闭环控制 124
5.8 本章小结 128
第6章 振荡与绕流电磁控制的实验验证 129
6.1 实验系统的设计 129
6.2 结果与讨论 132
6.2.1 均匀来流的圆柱绕流及其电磁控制 132
6.2.2 剪切来流的圆柱绕流及其电磁控制 135
6.2.3 均匀来流的涡生振荡及其电磁控制 137
6.2.4 两自由度涡生振荡及其电磁控制 139
6.3 本章小结 142
第7章 圆柱绕流的电磁优化控制 144
7.1 流动的优化控制 144
7.2 圆柱绕流的协态优化控制 147
7.2.1 圆柱绕流的协态优化控制律 147
7.2.2 协态优化控制的数值方法 150
7.3 结果与讨论 152
7.3.1 涡度拟能为测量量 152
7.3.2 测量量的加权组合 156
7.4 电磁力的空间优化 158
7.5 本章小结 161
参考文献 162
试读
第1章 绪论
1.1 背景和意义
飞行器、军舰、潜艇、水中兵器等在运动时，黏性流体在其表面形成的边界层会使武器减速，产生噪声、振动、失稳，甚至造成武器的变形和损坏。这些现象通常可以通过流体边界层的控制加以抑制。自1904年 Prantdl提出流体边界层概念以来，流体边界层的控制理论与技术一直是兵器学科研究*为活跃的领域之一。这主要是因为流体边界层本身在兵器科学中的重要性，以及边界层控制带来的巨大潜在军事价值。通过边界层的控制不但可以实现减阻，而且可以达到抑振、降噪和隐身的目的，因此吸引了各国研究人员。由于流体的黏性，飞行器运动时不可避免地会在阻力作用下减速、振动和产生噪声，使推进效率降低、飞行失稳。高效减阻可以提高推进效率和飞行的稳定性，减少燃料损耗。这对改进诸如飞机、导弹、普通弹箭等飞行体的性能，提高武器的质量是非常有价值的。因此，减阻增升减振技术是一切飞行装置的关键技术，可以说，凡是涉及黏性流体运动的领域，都存在减阻增升减振问题。美国已将其列为21世纪需要关注的关键技术，流动控制也因此成为兵器学科的研究热点。
近年来，随着计算流体力学和实验流体力学的飞跃发展，人们可以更深入地研究流场的精细结构，阐述流场变化的动力学机理。这些发展为流动控制在科学层面的展开，以及反馈式主动控制的研究提供了实质性的帮助，从而使主动控制，特别是微机电系统(micro electro mechanical system， MEMS)流动控制，成为当前流动控制的热点和前沿。
1.2 国内外的研究概况
圆柱体作为结构简单的钝体，其绕流的流线形状和尾流特点具有同其他钝体绕流一样的复杂性和共同特征。流动的分离脱体如图1.1所示。因此，人们对圆柱绕流问题的研究十分热衷。这方面的研究课题一直是现代科学研究的热点。圆柱绕流的特性与流场的 Re有关。一般来讲，当时，流体在圆柱表面的后驻点附近脱体，在尾部形成对称的反向旋涡。随着 Re增大，脱体点前移，旋涡变大。当时，脱体旋涡不再对称，以周期交替的方式离开圆柱，在尾部形成结构有序的卡门涡街。当时，三维不稳定性得以显现，尾流区出现摆动和不稳定。随着 Re的进一步增大，逐渐形成湍流。圆柱绕流问题中的流体边界层的分离与脱落、流体剪切层的流动和变化、尾流区域的分布和变动，以及它们之间的相互作用等因素，使其成为一项复杂和难度大的研究课题。
图1.1 流动的分离脱体
1.2.1 圆柱绕流及其控制方法的研究状况
钝体绕流的脱体现象与边界层内流体动量的缺失有关，如果通过某种方法，给边界层内的流体增加动量，便可以抑制绕流、减阻减振。圆柱绕流是一种典型的边界层分离问题。通过抑制卡门涡街来控制圆柱绕流尾迹引发了许多研究。通过改变或控制流场的状态，包括力学状态(如运动速度)和热力学状态(如温度)，可以实现某种设定的目的(如减阻)，人们称此为流动控制。早在1904年，Prandtle [1]就进行了著名的圆柱绕流的控制实验。圆柱绕流控制如图1.2所示。该实验在圆筒表面开一道狭缝，利用该狭缝吸进流体，抑制流体在圆柱表面的分离。
图1.2 圆柱绕流控制
目前文献提及的流体控制方法主要有两种，即被动控制方法和主动控制方法。被动控制方法，如加置带狭缝的板[2-7]、在尾流中添加二次圆柱[8]等，不需要向流场提供能量。近年来，人们更加侧重于向流场提供能量，并根据流场信息调整供应力度的主动控制方法的研究，包括振荡圆柱法、声波干扰、表面狭缝吹吸、热效应、流体滚珠轴承效应等[9-18]。
数值模拟与实验都表明[19-22]，在圆柱尾部插入一个直径比原有圆柱小一个数量级以上的细圆柱，可使主圆柱卡门涡街消失。同样，将一个尺寸与圆柱体直径相当的分隔平板插入尾流的绝对不稳定区域也会使卡门涡街消失[23]。另外，在绕流体的头部进行局部加热，可以获得明显的减阻效果[24]。黄为民等[25]对前驻点加热圆柱绕流场进行了可视化实验研究。汪箭等[26]采用正交曲线贴体坐标系对热圆柱绕流问题进行了数值模拟。用加热尾迹的方法控制圆柱绕流时，随着温度逐渐升高，表面温度高出水温后，流动会发生变化。前驻点流线摆动振幅、频率明显减少，前驻点位置向柱体表面靠近，甚至落在柱体表面，并发生间歇性猝发反向流，分离点位置后移至湍流分离点位置。前驻点的间歇性猝发反向流动无疑会改变流动结构，发生反向流时前驻点位于物面，但随后移向前方，驻点在中心流线作前后振荡。前驻点的前后振荡会改变前驻点处左右摇摆的频率和振幅，使流动稳定性大为提高。分离频率降低，绕流体的形阻也应相应地下降。前驻点加热增加沿物面流动流体的能量会使流体抗分离的总能增加，因此分离点推迟到湍流分离点位置。若加热量不足以产生或加强前驻点附近的回流区域，则不会产生上述现象。
在圆柱绕流中，圆柱旋转振荡[27-30]也可以有效地控制涡的脱落。在圆柱旋转振荡时，振荡频率将同涡的自然脱落
前言/序言
黏性流体绕过钝体时，其表面形成的边界层会出现流动分离，在一定条件下出现周期脱落的涡和周期变化的升阻力，进而产生涡生振荡（vortex induced vibration，VIV）。这种现象广泛存在于航空、航海、建筑等领域，导致减速、振动和噪声，降低推进效率和操控性能，严重的还可能导致失稳，甚至结构性破坏。因此，对涡生振荡控制的研究具有广泛的应用价值。
由于升阻力和振动的作用来源于边界层，因此研究人员对此进行了大量的研究，希望通过改变流体边界层的结构、控制绕流的形态，实现减震的效果。近年来，随着科学技术的发展（如数值方法、控制理论、材料科学、微机电系统技术等）和工程应用的需求，流动控制已经成为当前流体力学的前沿和热点问题。它不仅具有极强的应用价值，还具有重要的科学意义。
本书共7章。第1章为绪论。第2章为剪切来流下的涡生振荡，将坐标建立在运动圆柱上，推导指数极坐标下的剪切来流涡生振荡的涡量流函数方程、初始和边界条件，以及圆柱表面的水动力分布方程，讨论尾涡、振荡和剪切来流对圆柱涡生振荡系统的影响。第3章为剪切来流涡生振荡的电磁控制，推导第2章的振动系统在电磁力控制后的基本方程，并将电磁力的作用效果进行分解和剖析，讨论电磁力控制-自由度涡生振荡的减振和减阻机制。第4章和第5章为两自由度（同时沿法向和流向）涡生振荡的机理及其电磁力控制。第6章为振荡与绕流电磁控制的实验验证，对第2-5章的典型算例，包括均匀来流、剪切来流、一自由度和两自由度的涡生振荡进行实验研究和验证。第7章为圆柱绕流的电磁优化控制，将协态优化控制方法拓展至电磁流动控制，推导相关的性能指标，协态流场的守恒方程、初始边界条件和控制感度方程，进而通过优化时段内的反向积分迭代方法，完成优化控制的数值研究。
