一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置

技术领域

本发明涉及一种调控装置，尤其涉及一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置。

背景技术

湍流高摩擦阻力主要来源于湍流发展过程中的相干结构，其对湍流的产生和自维持有着非常重大的影响，其猝发过程包含的上抛和下扫是壁面摩擦阻力产生的关键因素。其中，壁湍流产生的相干结构增加流体与传输系统壁面的摩擦，增加流体阻力，其大小与流体速度的平方成正比，且会随着雷诺数的增大而增大。这种阻力在航空、航海及运输等领域广泛存在，是飞机、船只、高速列车、潜艇及鱼雷等与黏性流体接触物体的主要能耗来源。

减少这种阻力对于提高运输效率和降低运输成本是至关重要的。因此，高效的流体流动控制方式具有重要的工程意义。近年来，各种减阻方法不断涌现，其中，通过振动使壁面变形、通过添加微气泡等主动湍流控制方法已被引入实验流体力学领域，成为一种新型减阻方式。但是，向壁面注入大量游离气泡的微气泡减阻方法存在以下问题：1)大量游离态微气泡的体积及数量无法控制，减阻效果不均匀、不稳定；2)微气泡无法稳定依附于壁面；3)微气泡减阻性能的研究主要通过计算机数值仿真，实验装置的设计开发少。通过振动使壁面变形的减阻方法存在以下问题：1)在长期的循环应力和周期振动下，振动装置会出现结构疲劳，性能和寿命不断下降。同时其减阻效果也受到温度、湿度等环境因素的影响。

目前主流的耦合流动控制方法有：(1)仿生微结构和超疏水材料相结合，然而精密的微结构的制造难度大，超疏水材料表面难以维持长期稳定气膜。(2)聚合物添加剂和表面活性剂结合，但是聚合物添加剂在高剪切流动中容易发生不可逆的降解，表面活性剂效果受到温度等变量的影响。

发明内容

发明目的：本发明目的是提出一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，通过产生周期性的法向振动和壁面变形，能够有效抑制壁湍流的猝发而实现减阻。

技术方案：本发明包括循环水洞和驱动壁面变形装置，所述循环水洞的试验段设有柔性壁面，所述柔性壁面下方设有驱动壁面变形装置；所述驱动壁面变形装置包括推杆模块、第一直线滑台模组、第二直线滑台模组、法向振动模块和传动机构，其中，传动机构与法向振动模块传动连接，法向振动模块与推杆模块连接，推杆模块滑动连接在第二直线滑台模组上，第二直线滑台模组滑动连接在第一直线滑台模组上；所述驱动壁面变形装置上还连接有微气泡装置。

所述推杆模块包括若干沿流向方向阵列的桁架，每个桁架底部均连接有多根推杆，推杆一端与桁架固定，另一端与柔性壁面接触。

所述推杆的长短不一，进而使柔性壁面变形，这种周期性的法向振动和壁面变形抑制壁湍流的猝发。

所述推杆的下方轮廓点经拟合呈现为正弦曲线。

所述桁架上连接有微气泡装置，所述微气泡装置包括软管，所述软管贯穿桁架，软管一端连接微气泡发生器，另一端穿过柔性壁面，通过产生微气泡减小湍流边界层的速度梯度，进一步实现减阻。

所述法向振动模块包括凸轮，所述凸轮与传动机构及杠杆架连接，杠杆架中端固定在机架上，杠杆架前端与支撑架铰接，所述支撑架与桁架固定。

所述支撑架上通过直线轴承和轴与驱动架相连，在凸轮运动时，支撑架沿轴向运动使推杆沿法向振动，驱动架滑动连接在第二直线滑台模组上。

所述循环水洞及驱动壁面变形装置均与控制系统连接，控制系统通过控制混流泵，改变循环水泵的流速，控制系统根据热线风速仪和激光位移传感器测量得到的数据，控制伺服电机，使柔性壁面达到所需的振动频率。

所述第一直线滑台模组沿展向方向布设，用于驱动推杆模块沿展向运动。

所述第二直线滑台模组沿流向方向布设，用于驱动推杆模块沿流向运动。

有益效果：本发明通过产生周期性的法向振动和壁面变形，能够有效抑制壁湍流的猝发而实现减阻，同时，微气泡有助于减小湍流边界层的速度梯度，进一步实现减阻；通过壁面变形和添加微气泡的耦合流动控制方法实现的减阻效果大于单独通过壁面变形和添加微气泡的总和。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明驱动壁面变形装置的示意图；

图3为本发明的推杆模块示意图；

图4为本发明的法向振动模块示意图；

图5为本发明的循环水洞的管道示意图；

图6为循环水洞的试验段管道示意图；

图7为本发明的耦合减阻原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，本发明包括循环水洞6和驱动壁面变形装置8，循环水洞6外部设有驱动壁面变形装置8，循环水洞6及驱动壁面变形装置8均与控制系统7连接。如图5和图6所示，循环水洞6为封闭式循环水洞，试验前，通过水泵将水抽进封闭式循环水洞的管道内，当水流充满整个管道后，启动混流泵，使管道内水流循环流动。循环水洞6的试验段608底部或顶部为柔性壁面61，本实施例的柔性壁面61设置在试验段608底部，在其他实施例中，柔性壁面61也可以设置在试验段608顶部，当柔性壁面61设置在试验段608顶部时，对应的驱动壁面变形装置8设置在柔性壁面61上方，当柔性壁面61设置在试验段608底部时，对应的驱动壁面变形装置8设置在柔性壁面61下方。柔性壁面61上游有完全发展的湍流边界层，将热线风速仪的热线探针安装在柔性壁面61附近，测量湍流边界层近壁面流向的流场速度。将激光位移传感器安装在试验段608管道前方，记录柔性壁面61的振幅和振动频率。

如图2至图4所示，驱动壁面变形装置8包括推杆模块1、第一直线滑台模组2、第二直线滑台模组3、法向振动模块4和传动机构5，其中，传动机构5与法向振动模块4传动连接，法向振动模块4与推杆模块1连接，同时，推杆模块1滑动连接在第二直线滑台模组3上，第二直线滑台模组3滑动连接在第一直线滑台模组2上。第一直线滑台模组2沿展向方向布设，用于驱动推杆模块沿展向运动，第二直线滑台模组3沿流向方向布设，用于驱动推杆模块沿流向运动。

如图3所示，推杆模块1包括若干沿流向方向阵列的桁架106，每个桁架106底部均连接有多根推杆102，推杆102一端通过吸盘103与桁架106固定，另一端与柔性壁面61紧密接触但不固定。每根推杆102的长度不相等，当正视于推杆模块1时，所有推杆102的下方轮廓点经过线性拟合呈现为正弦曲线。当法向振动模块4驱动推杆102沿法向振动时，推杆模块1刚好可以使柔性壁面61变形成正弦曲线，变形的柔性壁面使水流产生横向行波。当推杆模块1沿流向运动时，法向振动依然存在，柔性壁面61依然变形成正弦曲线，横向行波依然存在。当推杆模块1沿展向运动时，法向振动依然存在，柔性壁面61依然变形成正弦曲线，横向行波依然存在。

桁架106顶部设有孔，孔内贯穿有软管104，软管104一端连接微气泡发生器108，且在连接管路上设有流量阀109，软管104另一端穿过柔性壁面61。实验时，开启流量阀109和微气泡发生器108，使微气泡通过软管104进入柔性壁面61表面。通过控制流量阀109，使不同程度的微气泡进入柔性壁面61表面。当推杆模块1沿流向运动时，软管104自然拉伸和收缩，以适应不同流向位置的试验需求。

如图4所示，法向振动模块4包括滚子401、铰链块402、杠杆架405、驱动架406、支撑架409、机架410和凸轮411，法向振动模块4通过凸轮411与传动机构5连接。凸轮411凹槽与杠杆架405之间设有滚子401，滚子401和杠杆架405之间有深沟滚珠轴承，以此来减少两者之间的摩擦。杠杆架405的中端固定在机架410上，杠杆架405后端与滚子401相连，杠杆架405前端通过铰链块402与支撑架409连接。凸轮411转动时，其轮廓线引导滚子401和杠杆架405进行特定轨迹运动，由于杠杆架405中间部分固定在机架410上，所以杠杆架405的前端可以实现沿法向往复运动。杠杆架405沿法向往复运动转化为支撑架409沿法向往复运动和驱动壁面变形装置的法向振动。支撑架409和桁架106焊接，从而带动推杆模块运动。支撑架409通过直线轴承和轴与驱动架406相连，在凸轮运动时，支撑架409沿轴向运动使推杆沿法向振动。驱动架406滑动连接在第二直线滑台模组8上。当启动流向或展向运动模块运行时，推杆模块进行法向振动的同时，也参与流向或展向运动。这种组合使推杆模块参与多方向的运动，增加机械系统的运动自由度，使其可以执行更灵活的任务。同时，铰链连接的方式分散凸轮411旋转振动产生的动能，减小局部应力集中，提高结构的耐久性和稳定性。

控制系统7中集成PLC控制器，用于控制传动机构5、第一直线滑台模组2、第二直线滑台模组3和混流泵。控制系统7通过控制混流泵，改变循环水泵的流速。控制系统根据热线风速仪和激光位移传感器测量得到的数据，控制伺服电机，使柔性壁面达到所需的振动频率。

本发明的工作原理为：

通过伺服电机带动凸轮旋转，使推杆沿法向振动，长短不一的推杆使柔性壁面变形，这种周期性的法向振动和壁面变形抑制壁湍流的猝发，引起的涡与条带的倾斜和流向涡的减弱。同时，微气泡改变湍流边界层内流体的平均速度分布，并减小速度梯度。通过PLC控制电机的运动，实现柔性壁面振动频率可调，振动位置可控的效果，这种耦合减阻装置实现对壁湍流多尺度相干结构主动控制，降低壁湍流的阻力，提高流体的输送效率。

本发明的耦合减阻原理如图7所示，柔性壁面相比于刚性壁面可以吸收更多的湍流能量并干扰近壁拟序结构，抑制湍流猝发。同时，相比于其他材料，微气泡更容易附着于柔性材料，使微气泡更加稳定地驻留在柔性壁面，进一步提升减阻效果。另外，长短不一并沿法向振动的推杆在促使柔性壁面变形的同时，也间接的使近壁面的少量体积大的游离微气泡破裂成体积小的稳定微气泡，增加了整体气泡的稳定性。小气泡相比于大气泡更容易附着于柔性壁面，增加了气层的持久性。这种气层的存在使壁面的流体动力粘度显著降低，提升了减阻效果。因此，本发明的耦合设计可以实现高效耦合流动控制。