基于极值有哪些信誉好的足球投注网站的轴对称分离流的流动控制.pdf

摘要

摘要

流动分离是一种常见的流体力学现象，广泛存在于各种流体机械中。流动分离

的出现会造成阻力增大、能源消耗增多等许多问题，因此，流动分离控制在近年来

逐渐成为研究热点。后向台阶是一个经典模型，基于后向台阶的流动分离形成过程

已经基本清晰。流体流过后向台阶的转角后，发生分离，并产生剪切层。剪切层经

过向下游的时空发展，撞击到台阶下游的壁面上，此后并再次附着。与此同时，部

分流体会在逆压梯度的作用下转向上游形成回流区。回流区的大小就代表着后向

台阶流的流动分离程度。流体流过轴对称后向台阶后也会出现类似的流场动力学

特征。然而，由于轴对称流动的周向结构更为复杂，在此过程中形成的是更加复杂

的、周向-流向耦合的、具有显著三维效应的流动结构（即轴对称分离流）。

流动分离的抑制一直是流体力学领域的热门研究方向，大量的研究探索出各

种各样的方法。过去几十年中，被动控制技术和主动控制技术被用于抑制流体的流

动分离，并且取得了不少研究成果。射流是一种常用的主动控制激励方式，它的原

理比较简单，就是从外界向流体中喷射高动量气体改变流场中原有的流动结构，从

而抑制流动分离的发展。射流已被广泛应用到抑制后向台阶流的流动分离，但在轴

对称后向台阶流的流动分离方面，相关研究仍然较少。

基于以上背景，本文设计了一系列实验将微射流应用于抑制轴对称后向台阶

流的流动分离，实验的流速是10m/s，此时雷诺数为8224。微射流实现的方式是

通过实验平台上沿环向均匀分布的四个微射流孔向轴对称后向台阶流喷射压缩空

气。这四个通道都分别通过一个电磁阀控制，但每个电磁阀的频率和占空比都是相

同的且可以改变的。不同的频率和占空比取得的控制效果是不同的。为了判断控制

效果，本文建立了代价函数，将环向十六个麦克风采集到的脉动压强强度设置为代

价函数。通过这个代价函数的值就能判断流动分离的程度，值越大表明流动分离越

严重，反之则越轻微。而实验的目标就是让代价函数达到最小值。为了对微射流的

控制效果寻优，本文采用带扩展卡尔曼滤波器的单参数极值有哪些信誉好的足球投注网站控制来优化电磁

阀的频率。

在将控制算法应用于实验之前，本文先进行了无控制条件下的实验。在不施加

任何激励的前提下，本文测量了轴对称分离流的脉动压强。功率谱密度图显示，沿

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环向每隔45°各处的功率谱密度分布曲线高度重合，这验证了分离流是“轴对称

的”。与此同时，脉动压强的功率谱密度沿频率方向呈现两边低中间高的分布，高

处对应的频率范围大致为30Hz~90Hz，并且在频率大约为53Hz时达到最大值，

这表明轴对称分离流的特征频率为53Hz左右。之后的实验可以通过与无控制实

验对比这一频率下的功率谱密度来判断控制效果。

在完成无控制条件下的实验后，本文把带扩展卡尔曼滤波器的单参数极值搜

索控制应用在实验上，通过优化电磁阀的频率来使得代价函数的值最小，从而将轴

对称分离流的流动分离抑制在最小程度。本文先设计编写了一个仿真程序，这个程

序的作用是通过单参数极值有哪些信誉好的足球投注网站控制搜寻一个四次函数的极大值，从而对实现这

个算法的程序进行验证。仿真结果显示，程序运行后，函数的输入从初始值开始逐

渐向目标值靠近。当梯度收敛到零时，函数的输入收敛到它的目标值附近，与此同

时，函数的输出也收敛到期望的极大值附近。这表明通过单参数极值有哪些信誉好的足球投注网站控制能够

准确搜寻到单输入单输出系统中存在的极大值点，算法程序可以用于在后续实验

中优化电磁阀的频率。

完成对算法程序的验证后，本文实施具体的实验，实验是在电磁阀的占空比固

定为20%、频率的初始值为32Hz的条件下进行的。本文通过一系列测试对比选

择出最合适的积分增益、正弦扰动的幅值和频率后再进行完整的实验。实验结果显

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示，频率最终收敛于25Hz左右，代价函数的值收敛于68070Pa。为了确定控制

效果，在频率和占空比分别固定为25Hz和20%的条件下，本文测量了轴对称分

离流的脉动压强，并画出相应的功率谱密度图。与无控制实验下的结果对比得到，

施加控制后，功率谱密度减小了大约83