基于壁面变形的湍流边界层减阻.pdf

摘要

摘要

在大多数工程应用中，流体总是处于湍流状态。减少壁面湍流中的表面摩

擦阻力是流体力学的一个重要且具有挑战性的领域。它的困难在于湍流背后的

物理学极其复杂，以及这种流动在受到外部因素干扰时难以发生有利变化。由

于湍流产生的粘性作用会导致与工业生产相关的流动系统产生巨大的能量损

失，因此如何对湍流边界层进行主动和被动控制，达到减少壁面摩擦阻力的目

的，相关研究得到了人们广泛的重视。

本论文独立设计制作了壁面波形激励器，利用激励器对湍流边界层进行了

展向行波壁面控制，研究了激励信号电压、激励信号相位差、振动幅值和展向

行波波长等控制变量对减阻量的影响。激励器具有11个控制单元，所有控制单

元都单独可控且同质性高。每两个控制单元中心距间距为3.4mm，控制11个

控制单元相位差振动可以在表面形成波状运动。激励器壁面振动为正弦波式法

向振动，激励器振幅随着电压增大而增大，随着频率的提高而减小。在低频率

f+=0.029、激励电压V=10V时，激励器的振幅最大为A+=13；激励器壁面

p-p

波动为正弦波式展向行波运动，激励器形成的展向行波波长和波数受激励信号

相位差控制。当激励信号相位差从0.1π变化到1π，相位差从0.1π增大到0.3

π时展向行波波长快速减小，相位差从0.4π增大到1π时波长缓慢减小，其中

++

最大波长为λ=453，最小波长为λ=45。展向行波波数随着相位差增加而线

性增加，展向行波波数最大为n=5，最小为n=0.5。激励信号相位差从0π增

加到1π，在激励信号相位差0π0.6π时，减阻量随激励信号相位差增

大而增大；在激励信号相位差0.6π1π时，减阻量随激励信号相位差

减小而在最大值附近变化振荡。不同尺度展向行波波长对湍流边界层近壁面减

+++

阻趋势不同，波长从λ=453减少到λ=45，当波长在大尺度区域（λ=151~

+

453），减阻量随展向行波波长减小而缓慢增大；当波长在中尺度区域（λ=91~

+

113），减阻量随展向行波波长减小而快速增大；当波长在小尺度区域（λ=45~

76），减阻量随展向行波波长减小不再增加而在最大值附近变化振荡。在A+=7、

++

f=0.029和λ=65条件下取得了最大减阻54%。验证了展向行波减阻机理，

展向行波在波谷的上方诱导出与行波方向相同的较强的流动，该流动将准流向

涡与波谷隔离开来，即准流向涡被推动远离了壁面并被消弱。

关键词：湍流边界层；减阻；壁面变形；展向行波；主动控制

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Abstract

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Inmostengineeringapplications,fluidsarealwaysturbulent.Reducingsurface

frictionalresistanceinwallturbulenceisanimportantandchallengingareaoffluid

mechanics.Itsdifficultyliesintheextremecomplexityof