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Experimental investigation of closed-loop active control to modulate coherent structures by mu-level method
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作者 白建侠 范子椰 +2 位作者 姜楠 李秋营 郑小波 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第7期408-417,共10页
The experimental research on zero-net-mass-flux jet closed-loop active control was conducted in the wind tunnel.The mu-level method successfully detected burst events of the coherent structures. The streamwise velocit... The experimental research on zero-net-mass-flux jet closed-loop active control was conducted in the wind tunnel.The mu-level method successfully detected burst events of the coherent structures. The streamwise velocity signals in the turbulent boundary layer were measured by HWA. The drag reduction rate of 16.7% is obtained comparable to that of the open-loop control and saves 75% of the input energy at the asynchronous 100 V/160 Hz control case, which reflects the advantages of the closed-loop control. The experimental findings indicate that the intensity increases in the near-wall region.The perturbation of the PZT vibrators on the skewness factor is concentrated in the region y+< 60. The generation of highspeed fluids is depressed and the downward effect of high-speed fluids weakens. The alteration of energy distribution and the discernible impact of modulation between structures of varying scales are observed. The correlation coefficient exhibits a strong positive correlation, which indicates that the large-scale structures produce modulation effect on small-scale ones.The occurrence of burst events is effectively suppressed. The disturbance has the characteristics of stable periodicity,positive and negative symmetry, low intermittency, and high pulsation strength. The conditional phase waveform shows that the fluctuation amplitude increases, indicating amplitude modulation effects on coherent structures. 展开更多
关键词 turbulent boundary layer(TBL) burst event coherent structures mu-level method
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柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究 被引量:4
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作者 巩绪安 张鑫 +3 位作者 马兴宇 范子椰 唐湛棋 姜楠 《实验流体力学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期19-27,共9页
本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流... 本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。 展开更多
关键词 流动分离 柔性材料 锯齿形 小波分析 多尺度相干结构
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仿生学覆羽控制翼型流动分离实验 被引量:2
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作者 巩绪安 张鑫 +2 位作者 马兴宇 范子椰 姜楠 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2021年第6期184-195,I0003,共13页
“高效率、低噪声”的飞行特点为猫头鹰披上了一层神秘的面纱。本文根据其翅膀覆羽的仿生学构造,设计了新型的柔性锯齿形旋涡发生器,铰接在NACA0018二维翼型各弦长位置处。通过风洞实验,研究了不同面密度柔性材料的流动分离控制效果。... “高效率、低噪声”的飞行特点为猫头鹰披上了一层神秘的面纱。本文根据其翅膀覆羽的仿生学构造,设计了新型的柔性锯齿形旋涡发生器,铰接在NACA0018二维翼型各弦长位置处。通过风洞实验,研究了不同面密度柔性材料的流动分离控制效果。实验中,首先利用高时间分辨率的热线风速仪单点扫掠测量尾流区的流场信息,通过小波变换同时在时域、频域对各个尺度涡包的破碎和掺混过程展开分析,确定湍动能较高的特征测点位置后,利用两根热线探针双通道同时测量,得到不同位置的同步流场数据,通过互相关分析,在时域和频域上得到不同空间位置之间扰动的相关性,并结合CCD高速相机的拍摄结果,研究柔性材料的自适应形变规律与扰流涡之间的关系。实验结果表明:中等面密度的柔性材料控制效果较优,安装在尾缘时可以有效吸收附近34%的湍动能用于自适应地振动和变形;剪切层的上边界向下移动0.05倍弦长,尾缘和前缘剪切层的低频段功率谱密度分别下降了70%和50%,前缘剪切层的大尺度结构被破碎为小尺度结构,具有潜在的降噪效果,两剪切层的相关性在频域上得到显著增强。当旋涡发生器的安装位置向前缘移动时,其在逆压梯度下产生的扰动将向低频段转移,大尺度的扰流涡可以诱导分离泡的上边界下移0.1倍弦长。 展开更多
关键词 仿生学 流动分离控制 柔性锯齿 小波分析 互相关函数
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流向凹曲率壁面湍流边界层的TRPIV实验研究 被引量:2
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作者 王轩 范子椰 +2 位作者 陈乐天 唐湛棋 姜楠 《实验流体力学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1-9,共9页
带有曲率和压力梯度作用的湍流边界层广泛地存在于各类工程应用中。以带有流向凹曲率的壁面(简称凹壁面)模型为研究对象,利用双相机大小视场的TRPIV系统分别测量了上游和下游两个不同流向位置的瞬时速度场。以光滑平板模型的实验数据为... 带有曲率和压力梯度作用的湍流边界层广泛地存在于各类工程应用中。以带有流向凹曲率的壁面(简称凹壁面)模型为研究对象,利用双相机大小视场的TRPIV系统分别测量了上游和下游两个不同流向位置的瞬时速度场。以光滑平板模型的实验数据为基准,研究了凹壁面上湍流边界层的变化规律。通过对比光滑平板的平均速度剖面和雷诺应力剖面,发现凹壁面情况下的平均速度剖面逐渐偏离了传统对数律,且湍流强度比平板情况下更弱。以Λci准则识别出的顺向涡为条件进行条件相位平均,发现凹壁面中涡上方正脉动的峰值与空间尺度的变化相反,而下方的负脉动比平板情况更强。进一步使用空间两点相关方法提取相干结构,同时利用椭圆拟合的方法计算近壁区相干结构与壁面的倾角,发现凹壁面上相干结构沿流向的空间尺度逐渐增大。结果表明:当湍流边界层受到凹曲率和顺压梯度的共同作用时,近壁附近与尾迹区内湍流强度的差异增大,同时边界层内相干结构的旋涡强度增加;随着向下游的发展,缓冲层附近顺向涡上方正脉动的空间尺度增大,但峰值降低,而在对数律区的上侧则产生了相反的现象;凹壁面湍流边界层内相干结构向更高法向高度迁移的趋势减弱,且相干结构的空间尺度在下游一侧的增长幅度更大。 展开更多
关键词 流向曲率 顺压梯度 湍流边界层 TRPIV 相干结构
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柔性旋涡发生器对翼型前缘分离的自适应控制 被引量:4
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作者 李彪辉 范子椰 +2 位作者 刘丽霞 马兴宇 姜楠 《气体物理》 2020年第5期56-62,共7页
采用边长为10 mm的三角形柔性和刚性旋涡发生器,安装在二维NACA0018翼型上翼面前缘不同弦长处,用于控制翼型前缘分离流动.实验在低速直流式风洞中进行,以翼型弦长为特征长度的Reynolds数Re=1.1×10^5,采用单丝热线风速仪测量尾流速... 采用边长为10 mm的三角形柔性和刚性旋涡发生器,安装在二维NACA0018翼型上翼面前缘不同弦长处,用于控制翼型前缘分离流动.实验在低速直流式风洞中进行,以翼型弦长为特征长度的Reynolds数Re=1.1×10^5,采用单丝热线风速仪测量尾流速度剖面.分别研究柔性和刚性两种材料的三角形旋涡发生器对翼型前缘分离的控制效果.实验结果表明,与刚性旋涡发生器相比,柔性旋涡发生器利用来流能量实现自适应控制,使剪切层下移,从而明显抑制前缘分离. 展开更多
关键词 柔性 旋涡发生器 前缘分离 热线风速仪 小波分析
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湍流边界层大尺度相干运动的阵列TRPIV测量
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作者 王轩 范子椰 +1 位作者 唐湛棋 姜楠 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2022年第1期49-56,共8页
使用高时间分辨粒子图像测速技术,研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关,因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄,得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场,实验雷诺数Re_(τ)=422。针对流... 使用高时间分辨粒子图像测速技术,研究湍流边界层中大尺度相干运动。由于大尺度运动的流向空间尺度与边界层厚度δ有关,因此沿流向排列4个高速相机进行拍摄,得到了约6.7δ×1.2δ的湍流边界层大视场,实验雷诺数Re_(τ)=422。针对流场中不同法向高度的流向脉动速度,采用沿流向方向进行空间小波变换的方法,得到不同空间尺度分量的脉动速度,并计算其占总流向脉动动能的比例,发现湍流边界层外区存在流向最大能量流向尺度,约为1δ。通过小波分解将湍流脉动速度场分为大尺度分量和小尺度分量。使用速度门限法,沿时间序列提取大尺度相干运动,利用泰勒冻结假设,将时间结构转化为空间结构,并与直接从空间得到的大尺度相干结构做对比。使用相位平均法测得大尺度相干结构的几何形态,发现从时间维度和直接从空间维度得到的喷射事件的流向尺度相近,而直接从空间提取的扫掠事件要比从时间提取的大。结果表明:流场中1δ尺度左右的大尺度运动是湍动能的主要贡献者;利用泰勒冻结假设可以从时间中提取出大尺度相干结构,与从流场空间直接提取的结果有着良好的一致性。 展开更多
关键词 湍流边界层 大尺度运动 小波变换 条件平均 TRPIV
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湍流边界层大尺度相干结构空间相位平均拓扑
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作者 岳巾会 范子椰 姜楠 《力学与实践》 北大核心 2022年第1期22-29,共8页
湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一。湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还... 湍流边界层大尺度相干结构(large-scale coherent structure,LSCS)是目前湍流边界层研究的热点之一。湍流边界层中存在大尺度相干结构均是通过各种谱的低波数峰值证实的,而对大尺度相干结构各种物理量的空间拓扑形态及其发展演化规律还缺乏研究。应用高时间分辨粒子图像测速多相机阵列系统,测量湍流边界层大尺度相干结构各种状态的空间拓扑。实验雷诺数Reτ=422,采用沿流向方向按顺序排列四个高速相机同步拍摄,得到约6.7δ×1.2δ的大视场。在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随流向尺度和法向位置的分布,根据各尺度小波系数的正负极值点检测各尺度相干结构喷射和扫掠的拓扑中心,使用条件采样和空间相位平均的方法测得各尺度相干结构喷射和扫掠阶段的空间拓扑形态,分别得到喷射与扫掠事件的脉动速度矢量、展向涡量、流线等物理量的空间相位平均拓扑,发现大尺度喷射和扫掠事件的结构都是多个小涡组成的大尺度涡包结构,每个小涡的流线形成鞍点和焦点组成的局部不稳定动力系统。 展开更多
关键词 湍流边界层 大尺度相干结构 小波变换 相位平均
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基于变间隔空间平均的等动量区分布研究
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作者 高紫涵 程肖岐 +1 位作者 范子椰 姜楠 《力学学报》 EI CAS 2024年第8期2193-2202,共10页
湍流边界层(TBL)中的相干结构是导致雷诺应力和湍动能产生的关键因素,深入研究和理解其发展演化特性是有效控制湍流边界层的基础.等动量区(UMZs)是湍流边界层中的典型大尺度相干结构,其空间分布特性与湍流边界层中的其他相干结构之间的... 湍流边界层(TBL)中的相干结构是导致雷诺应力和湍动能产生的关键因素,深入研究和理解其发展演化特性是有效控制湍流边界层的基础.等动量区(UMZs)是湍流边界层中的典型大尺度相干结构,其空间分布特性与湍流边界层中的其他相干结构之间的联系尚缺少有效认识和实验依据.文章根据水洞实验中平板湍流边界层流法向平面中的大视场粒子图像测速仪(PIV)数据,使用正负流向速度梯度下的变间隔空间平均(VISA)方法检测大尺度相干结构,并研究其对等动量区空间分布的影响.研究结果表明,两种判定依据下的VISA检测所得流场中发卡涡头强度增大导致周围等动量区数量的增加,且基于正流向速度梯度的VISA检测结果中等动量区数量显著大于基于负流向速度梯度的检测结果.此外,VISA检测得到的低速结构附近等动量区的数量始终大于高速流体附近的等动量区数量,且该规律与VISA检测过程中的流向速度梯度无关. 展开更多
关键词 等动量区 湍流边界层 图像粒子测速 变间隔空间平均
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壁湍流等动量区空间分布的实验研究
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作者 程肖岐 范子椰 +2 位作者 唐湛棋 白建侠 姜楠 《实验流体力学》 CAS 2024年第4期21-28,共8页
为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性,使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流向–法向(x–y)平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数,得到不同时刻和空间位置的等动量区分布,分析不同数量的等... 为深入探索湍流边界层等动量区的空间分布特性,使用大视场粒子图像测速仪在水洞中测量了平板湍流边界层流向–法向(x–y)平面内的速度矢量场。通过计算流向速度的概率密度函数,得到不同时刻和空间位置的等动量区分布,分析不同数量的等动量区沿流向的持续距离及出现频率。不同等动量区数量下,其对应的流向持续距离和流向间隔具有显著差异。当等动量区数量与其平均值相近时,等动量区在流向的持续距离较长,且流向间隔较小、出现频率较大;当等动量区数量与其平均值相差较大,其对应的流向持续距离较短,且流向间隔较大、出现频率较低。 展开更多
关键词 等动量区 湍流边界层 粒子图像测速 相干结构 空间分布
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湍流边界层大尺度结构迁移特性研究
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作者 郑皓匀 范子椰 +1 位作者 程肖岐 姜楠 《实验流体力学》 CAS 2024年第4期58-65,共8页
基于流向阵列的高时间分辨率粒子图像测速(TR–PIV)数据库,使用尺度分解和时空相关方法研究了不同类型湍流结构的迁移特性。使用离散小波变换对流向脉动速度进行流向空间分解,发现存在含能最集中的尺度;使用空间条件相位平均方法验证了... 基于流向阵列的高时间分辨率粒子图像测速(TR–PIV)数据库,使用尺度分解和时空相关方法研究了不同类型湍流结构的迁移特性。使用离散小波变换对流向脉动速度进行流向空间分解,发现存在含能最集中的尺度;使用空间条件相位平均方法验证了不同小波系数代表的湍流结构;基于这些小波系数,使用时空互相关方法,得到相关系数随时间延迟的变化曲线,得到不同结构的迁移速度剖面,发现在尾迹区,不同湍流结构的迁移速度与平均速度基本一致,而在对数律区及以下,最大含能尺度结构的迁移速度高于平均速度,且不同结构的迁移速度也不同,随着雷诺数增大,其差值有所区别,但是大小关系未变。 展开更多
关键词 湍流边界层 粒子图像测速 小波变换 迁移速度
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平板湍流边界层湍动能时空多尺度分布特征与典型结构
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作者 王芊翔 范子椰 +4 位作者 岳巾会 白建侠 程肖岐 田海平 姜楠 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS 2024年第3期61-71,共11页
应用四相机阵列高时间分辨粒子图像测速系统,测量平板湍流边界层7.26δ_(0.99)×1.18δ_(0.99)大视场瞬态速度场的大样本时间序列,实验雷诺数Re_(τ)=1046.在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得... 应用四相机阵列高时间分辨粒子图像测速系统,测量平板湍流边界层7.26δ_(0.99)×1.18δ_(0.99)大视场瞬态速度场的大样本时间序列,实验雷诺数Re_(τ)=1046.在所有法向层沿流向方向进行空间多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动空间尺度和法向位置的分布;同时对每个空间点脉动速度时间序列在时间上进行多尺度连续小波变换,根据分尺度小波系数得到湍动能随脉动时间尺度和法向位置的分布;计算出去除多尺度相干结构前后的平坦因子随脉动空间尺度和法向位置的分布.使用空间小波系数过零点法对流场的湍流结构进行检测,用条件采样和空间相位平均的方法获得各尺度不同法向位置湍流结构的空间典型拓扑,发现湍流小尺度结构涡量的空间拓扑呈现沿流向和法向正负交替的四极子结构,流线表现为鞍点和焦点组成的动力系统,肯定了湍流小尺度结构的普适性;计算去除相干结构前后的标度指数ζ(p),发现多尺度相干结构是引起奇异标度律的原因. 展开更多
关键词 Arrayed TRPIV Turbulent boundary layer Coherent structure Wavelet transform Scaling law
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