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電磁力主動控制圓柱體繞流主要成果綜述

時間:2019-07-23 來源:中國水運(下半月) 作者:李森遠 本文字數:2179字

  摘    要: 圓柱體作為常見的一種鈍體結構, 其流動分離控制一直備受關注, 而通過電磁力實現流動分離控制是當下研究的熱點之一。該文以圓柱結構為對象著重介紹了電磁力控制圓柱體結構繞流的含義和研究現狀, 并對不同磁極寬度對圓柱繞流的影響進行了概括, 同時簡要介紹了含有電磁力的流動控制方程。最后, 針對目前研究中存在的不足, 提出應重視在高雷諾數條件下電磁力對圓柱體繞流影響的研究、計算流體力學與實驗流體力學方法相結合這兩點建議。

  關鍵詞: 流動控制; 電磁力; 圓柱繞流; 計算流體力學; 實驗流體力學;

  一、引言

  圓柱繞流在流體力學中是一類經典問題。在實際的海洋工程應用中, 海洋立管、輸油氣管道和浮式平臺立柱等均屬于圓柱型結構, 該結構在海洋工程中應用廣泛。當海流流經圓柱型結構時, 結構表面流動分離會使其阻力增大。因此, 對圓柱結構表面的流動分離進行有效控制, 可以減小圓柱型結構阻力。由此可見, 開展關于圓柱結構流動分離控制的研究, 對提高海洋工程結構的安全性, 有重要學術意義和潛在實用價值。

  由邊界層理論可知圓柱體表面的流動分離與其邊界層內流體動能的損耗有關。圓柱體的主動流動分離控制正是通過使用某種能夠改變圓柱體邊界層內流體動能方法, 改變圓柱體表面繞流的流動狀態, 進一步抑制圓柱體表面的流動分離。電磁力是主動控制船舶與海洋工程結構物流動分離現象的一種新方法, 船舶與海洋工程結構物所處的海水環境具有良好的導電性, 該方法利用這一特性, 能夠控制海水在結構物周圍的流動狀態, 進而改善其繞流場, 提高其水動力性能。并且電磁力有更好的可控制性, 一些精確和高級的主動控制策略可通過計算機實現。本文對多年來電磁力主動控制圓柱體繞流的主要研究成果進行了回顧和總結, 并對不同磁極寬度對圓柱體繞流的影響進行了總結。

  二、電磁力主動控制圓柱體繞流研究現狀

  早期這類問題的研究多是以實驗為主, 并且大多數的實驗研究集中在低雷諾數條件下電磁力對圓柱體繞流的影響。通過將表面包覆電極和磁極的圓柱體模型放置于弱電解質中, 并對圓柱繞流場特性進行觀察。Weier等[1]得到如下結果, 在層流狀態時, 圓柱體邊界層的流動分離被電磁力有效控制, 同時圓柱體阻力減小。

  周本謀等[2,3]借助旋轉實驗臺研究了在低雷諾數條件下電磁力對圓柱繞流場的影響, 研究發現, 通過使用不同大小和方向電磁力可以使圓柱體的流動分離點前后移動。張輝等研究了電極和磁極的尺寸與控制效果之間的關系, 研究表明電磁極寬度對圓柱繞流中分離位置的控制有較大的影響。

電磁力主動控制圓柱體繞流主要成果綜述

  在數值模擬方面, 二維直接數值模擬是廣泛被采用的方法。Posdziech等研究了電磁力對圓柱層流繞流場卡門渦、升力脈動特性的影響問題。Kim等研究了電磁極包覆位置對圓柱繞流場及升阻力特性的影響問題。

  三、不同電磁極寬度對圓柱繞流場特性的影響

  在雷諾數Re=200的情況下, 通過分析文獻中的研究成果, 可以得到以下結論:

  無量綱磁極寬度在大小不同的電磁力作用參數區間內對圓柱繞流的影響是不同的。具體的當電磁力作用參數小于1.0時, 無量綱磁極寬度對圓柱體繞流場結構的影響可以忽略。當電磁力作用參數大于1.0時, 存在一個臨界電磁力作用參數, 該參數隨著無量綱磁極寬度增大而增大, 當電磁力作用參數大于該臨界值時, 流動分離可以完全被抑制。

  四、含電磁力的流動控制方程

  本節從流動及電磁場控制方程入手, 介紹了含電磁力的不可壓縮的Navier-Stokes方程。

  概括的來說流體動力學方程中的連續性方程和動量方程是宏觀運動的一般規律, 如質量守恒、動量守恒等的具體表現形式。對電磁力流動控制問題, 電磁力作為一種體積力, 可以直接加入到流動控制方程的動量守恒方程中。為了方便實際應用, 該節的兩個運輸方程都是寫成了便于使用開源軟件OpenFOAM計算的格式。

  

  J—電流密度;

  B—磁感應強度。

  描述電解質溶液中電場和磁場分布的Maxwel’s方程組

  其中, μ為磁導率系數, 在物理學中D表示電位移場。

  當時, 可忽略該項, 則

  

  該方程稱為磁感應方程, 它描述了電場與導電流體相互作用時, 磁場隨時間的變化的規律。

  四、結束語

  由于電磁力主動流動控制方法在船舶與海洋工程領域有潛在的應用前景。在最近二十多年中, 在實驗條件受到限制的情況下, 對層流的電磁力流動控制問題已成為國際水動力學界的研究熱點之一。但是對高雷諾數下電磁力控制圓柱繞流特性目前尚不十分清楚。經過系統學習和分析, 現提出以下幾點建議。

  (1) 在船舶與海洋工程的實際工程環境中, 雷諾數一般至少為310量級, 因此, 在今后的研究中, 應該集中探索電磁力對高雷諾數條件下具有明顯的三維特性的圓柱體繞流場的影響。

  (2) 隨著高性能計算機的不斷發展和現代計算流體力學理論的不斷完善, 采用CFD (Computational Fluid Dynamics, 簡稱CFD) 方法將成為研究高雷諾數條件下電磁力對圓柱三維繞流場影響的主要手段之一。因此在以后的研究中, 應該重視數值計算, 同時將數值計算與實驗研究有機的結合起來, 著重理論研究, 用理論更好地指導實踐。

  參考文獻

  [1]周本謀, 范寶春, 陳志華等.流體邊界層上電磁力的控制效應研究[J]. (中國航海) , 2004, 36 (4) :472-478.
  [2]周本謀, 范寶春, 陳志華等.電磁體積力作用下的圓柱繞流實驗研究[J]. (港航科技) , 2006, 23 (4) :172-176.
  [3]張輝.圓柱繞流電磁控制影響因素的實驗研究[J]. (中國水運) , 2009, 24 (5) :427-432.
  [4]張輝, 范寶春, 陳志華.電磁激活板的寬度對圓柱繞流控制的影響[J].工程力學, 2007, 24 (12) :164-168.

    論文來源參考:李森遠.電磁力控制圓柱體繞流研究進展[J].中國水運(下半月),2019,19(05):175-176.
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