电磁力控制钝体绕流场特性研究

摘要

圆柱和翼型是船舶与海洋工程中常见的两类钝体结构形式。圆柱绕流不仅会导致涡激振动现象的发生，而且还会产生疲劳破坏现象，影响圆柱型海洋结构物的使用寿命。当翼型随船舶以一定攻角航行时，在攻角超过某临界值后会产生失速现象，使其升力减小而阻力增加，直接影响船舶推进效率和操控性能。无论是圆柱型结构的涡激振动，还是翼型结构的失速现象，表面流动分离是关键性原因之一。因此，有效地控制这两类钝体结构表面的流动分离，不仅是减小圆柱型结构阻力并抑制其升力，而且也是抑制和延缓翼型失速的重要途径之一。由此可见，开展这两类钝体结构流动分离控制的研究，对提高海洋工程结构的安全性，以及对提高船舶推进效率及其操控性能等，都有重要学术意义和潜在实用价值。
　　有鉴于此，在回顾和总结本领域国内外研究现状的基础上，以圆柱和翼型结构为对象，采用计算流体力学方法对不同雷诺数下电磁力控制这两类钝体结构的绕流场特性进行研究，具体内容如下：
　　在第二章中，给出了包含电磁力作用的不可压缩的Navier-Stokes方程，根据电磁场控制方程，概述了求解弱电解质中电磁场分布的有限元方法。在此基础上，阐述了高雷诺数下电磁力控制钝体绕流场的脱体涡模拟（DES）方法。
　　第三章中，在雷诺数Re=200的情况，采用非定常直接数值模拟方法，研究了各种不同电磁力作用参数和电磁极宽度的组合下电磁力对圆柱体绕流场结构及其升阻力特性的影响机理与规律。结果表明，当电磁极宽度较小时，圆柱体绕流场的分离点越容易接近后驻点，而电磁力对总阻力的影响并不明显，但对压差和摩擦阻力均有明显影响。当电磁极宽度较大时，圆柱体尾部区域越容易产生射流现象，而且总阻力随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而减小。在电磁力尚不足以完全抑制周期性涡脱落的情况下，升力幅值随电磁力作用参数增大而减小，但随电磁极宽度则先减小后略有增加，升力脉动频率则均随电磁力作用参数和电磁极宽度增大而增加。
　　第四章中，在雷诺数 Re=3.9×103和 Re=5×104的情况，采用 DES方法，研究了电磁力控制层流边界层分离圆柱绕流场及其升阻力特性。在雷诺数Re=1.4×105的情况下，采用DES结合湍流分离（TS）方法，研究了电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场及其升阻力特性。结果表明，无论是层流边界层分离还是湍流边界层分离的情况，电磁力均可以有效地提高圆柱体边界层内的流体动能，抑制圆柱体近壁面流动分离，减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度，减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值；当电磁力作用参数大于某个临界值后，流动分离角消失，在圆柱体尾部产生射流现象，电磁力产生净推力作用，出现负阻力现象，升力系数脉动幅值接近于零。
　　在第五章中，在雷诺数ReL=1.63×105和ReL=2.97×106的情况，采用DES方法，研究了电磁力控制翼型绕流场及升阻力特性。结果表明，电磁力作用使翼型表面流体动能增加，有效地改善翼型的绕流场性能，当电磁作用力足够大时，其表面涡量转变为正向涡量；电磁力作用可显著减小翼型压差阻力，但也增加了翼型的摩擦阻力；电磁力可显著减小翼型升阻力系数脉动幅值，增加升阻比，有效延缓翼型的失速，提高翼型的工作性能。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 钝体绕流场特性研究现状

1.3电磁力主动控制钝体绕流特性研究现状

1.4 论文主要内容及创新点

第二章电磁力主动流动控制数值模拟方法

2.1含电磁力的流动控制方程

2.2电磁场数值模拟方法

2.3流场数值模拟方法

2.4本章小结

第三章电磁极宽度对圆柱绕流场特性的影响

3.1圆柱体周围电磁场特性

3.2层流湍流转换区圆柱绕流场特性

3.3电磁极宽度对圆柱绕流场特性的影响

3.4电磁极宽度对圆柱升阻力特性的影响

3.5本章小结

第四章高雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性

4.1层流边界层分离圆柱绕流场特性

4.2湍流边界层分离圆柱绕流场特性

4.3电磁力控制层流边界层分离圆柱绕流场特性

4.4电磁力控制层流边界层分离圆柱升阻力特性

4.5电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性

4.6电磁力控制湍流边界层分离圆柱升阻力特性

4.7本章小结

第五章 高雷诺数下电磁力控制翼型绕流场特性

5.1翼型周围电磁场特性

5.2亚临界区雷诺数翼型绕流场特性

5.3临界区雷诺数翼型绕流场特性

5.4电磁力控制亚临界区雷诺数翼型绕流场特性

5.5电磁力控制亚临界区雷诺数翼型升阻力特性

5.6电磁力控制临界区雷诺数翼型绕流场特性

5.7电磁力控制临界区雷诺数翼型升阻力特性

5.8本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

攻读博士期间已发表或录用的论文

致谢

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