本发明属于流动控制技术领域，具体涉及一种合成射流抑制钝体绕流涡致振动的装置和方法。
背景技术：
在各类工程领域，经常可见流体流过钝体结构，如海上平台的支柱等。当流体流过钝体，如圆柱、方柱、矩形柱后，产生反对称交替脱落旋涡，升力脉动较大，易于产生涡致振动，进而导致疲劳破坏。在流动控制领域，合成射流是一种高效的主动控制装置。通过周期性驱动，带动腔体内的流体发生运动，在孔口发生周期性吹、吸作用，形成合成射流。施加合成射流可以有效的改变整个流场的流动特性，实现高效、迅速的控制。
技术实现要素：
本发明为了实现对涡致振动的主动抑制，提出了一种基于合成射流的抑制钝体绕流涡致振动的装置和方法。
本发明所述的基于合成射流的抑制钝体绕流涡致振动的装置和方法，通过将两个合成射流对称布置在钝体绕流分离点附近实现。所述的合成射流装置由孔口、腔体和振动器构成，孔口连接钝体外部流场，腔体内部流质与钝体外部流质相同。所述腔体在钝体内部，通过孔口与外部相连，射流方向与孔口所在位置处圆柱切线方向呈一定角度(0°～45°)。孔口为沿钝体表面的狭缝结构，狭缝宽度为钝体特征尺寸的1％，如为圆柱直径的1％。
合成射流装置位于钝体内部，腔体为空槽，具体形状不固定，可依据需求设计制造，振动器可以为活塞或振膜，通过连杆机构实现直线往复运动。应当保证振动器形状同腔体形状匹配，使得振动器能顺利往复运动，并有效减小或扩大腔体体积。
合成射流振动器开启后，振动器开始周期性振动，腔体内流体被驱动开始运动，流体通过孔口流出或流入腔体，此时在孔口附近对外部流场形成周期性吹、吸过程。每个周期的控制信号，对应形成一个周期的吹、吸过程，上下对称合成射流的振动器的振动相位一致，开启合成射流后能增强圆柱体上下分离点处对称作用，增强流动对称特性。原本反对称交替脱落的涡结构受到抑制，转变为对称脱落的涡结构。对称模式下，脱落的涡结构诱导的垂直于流向的非定常载荷彼此抵消，进而实现对涡致振动的抑制。
所述振动器的振幅和频率为可控参数，振动器振幅的选取可以使得孔口射流的最大速度是自由来流速度的1～10倍甚至更大，激励频率可以为涡脱落固有频率的整数倍或者半整数倍，控制参数在一定范围内均有较好的控制效果。
本发明的一种基于合成射流的抑制钝体绕流涡致振动的装置和方法的优点在于：
1、本发明中合成射流装置集成在圆柱体内部，不会引起结构外形上的变化。同时孔口宽度很小，避免对结构强度带来不利影响。
2、本发明基于对称设置在分离点附近的合成射流控制，能通过周期性的吹、吸过程有效控制固有的反对称涡脱落模式，诱导产生对称涡脱落模式，实现对涡致振动的抑制。
3、本发明中可以根据具体工况，执行实时主动控制，主动改变控制参数，实现所需控制效果，适用范围广，响应迅速。
4、本发明通过诱导对称涡脱落模式实现对涡致振动的有效抑制的同时还有额外的减阻效果，能有效的降低圆柱体所受阻力，带来额外收益。
附图说明
图1a和图1b是合成射流装置双腔体结构示意图；
图1c和图1d是合成射流装置单腔结构示意图；
图1e是合成射流抑制钝体绕流涡致振动的原理示意图；
图2a是无控制下尾迹区涡脱落模式效果图；
图2b是本发明的合成射流控制下形成对称尾迹区涡脱落模式效果图；
图2c是无控制下反对称涡脱落模式流动显示示意图；
图2d是本发明的合成射流控制下形成对称涡脱落模式流动显式示意图；
图3a是无控制圆柱体升力系数和阻力系数随时间变化曲线图；
图3b是本发明的合成射流控制下圆柱体升力系数和阻力系数随时间变化曲线图；
图4是本发明的合成射流控制过程中圆柱升力系数和阻力系数随时间变化曲线图；
图5a～5d是开启合成射流后局部控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
本发明提供一种基于合成射流的抑制钝体绕流涡致振动的装置和方法。所述的钝体可以是圆柱体、方柱体或矩形柱体等形式，本发明提供的所述方法是在钝体上下两侧绕流分离点附近对称设置同步控制的合成射流，诱导产生对称涡脱落模式，进而抑制钝体涡致振动。
所述的合成射流由合成射流装置产生，所述的合成射流装置包括孔口、腔体和振动器三部分，将两个合成射流装置对称设置在所述钝体上，形成本发明的抑制钝体绕流涡致振动的装置。如图1a～1b所示的是两个合成射流装置对称式设置示意图，所述两个合成射流装置的孔口位于分离点附近，在自由来流条件下，开启振动器，如图1e所示，孔口处形成同来流不同角度的合成射流(射流涡)。上下同步的合成射流增强钝体上下两侧的流动对称特性，诱导原本反对称脱落的涡模式转变为对称脱落模式(即对称脱落尾迹涡)，可以有效抑制涡致振动。此外，在合成射流作用下，改善分离点处局部流动速度分布，减小分离区大小，具有减阻效果。本发明可主动控制，通过改变控制参数可以获得不同的控制效果。
本发明提供的抑制钝体绕流涡致振动的装置适用于柱体状的钝体绕流问题，如圆柱、方柱、椭圆形或矩形柱等。如图1a～1d所示，合成射流装置的孔口沿着钝体展向布置，孔口连接钝体外部流场，腔体内部流质与钝体外部流质相同。孔口和腔体沿钝体展向分布，孔口为狭缝，狭缝宽度为钝体特征长度(圆柱体截面直径、长方体宽度或者高度等)的1％左右。振动器通过激励信号驱动可以在腔体内做往返运动形成对腔体内部流质的周期性吹、吸控制，产生合成射流。
当钝体为圆柱时，以圆柱截面圆心为中心点，前驻点(圆柱表面流动速度为0的点)为0°，不同雷诺数下圆柱分离点位置在前驻点两侧80°～120°。合成射流装置的孔口位置可位于分离点之前或之后，但应尽量保证上下孔口关于来流对称。孔口在分离点之前，合成射流同边界层作用；孔口在分离点之后，合成射流同剪切层作用。一般情况下，合成射流装置的孔口位置提前于分离点时，效果较好。
所述合成射流装置的腔体位于钝体内部，通过孔口连通外部流体，上下合成射流可以分别使用一个独立腔体(如图1a和1b所示)或共用一个腔体(如图1c和1d所示)。腔体内部可以根据需要做成易于加工的形状，保证内部曲线光滑，例如圆形；振动器在腔体内部，并且保证振动器外形与腔体内部形状配合一致。对双腔体，应当保证控制过程中上下两个振动器的振动同步。振动器通过激励信号驱动可以在腔体内做往返运动，当激励信号为正，腔体内的流体向外流出，孔口处为吹气作用；当激励信号为负，外部流体向腔体内流入，孔口处为吸气作用。随着激励信号周期性变化，孔口发生周期性吹、吸作用，在一个周期内总的流量为0，形成合成射流。合成射流形成射流涡，如图1e所示，同钝体边界层/剪切层作用，促使尾迹涡脱落模式转变为对称脱落。
振动器在腔体内做正弦振动，振动振幅和频率可控。合成射流的速度由振动器的振幅和频率决定，合成射流的频率等于振动器频率。
依据激励频率，合成射流工作模式可以分为低频控制和高频控制。当激励频率低于固有涡脱落频率的10倍时，为低频控制。此时激励频率建议选取为固有涡脱落频率的整数倍(1倍、2倍等)或半整数倍(0.5倍、1.5倍等)。激励频率超过固有涡脱落频率的10倍为高频控制，此时激励频率不需要强制调整为固有涡脱落频率的整数倍。开启合成射流后，吹气阶段，孔口射流涡量较大，促使流动失稳，剪切层发展，在尾迹区卷出旋涡；吸气阶段，卷出的涡结构对称地向下游运动，促使原本反对称脱落模式变为对称脱落模式。合成射流的作用增强了上下边界层或剪切层的对称扰动，增强了上下流动对称特性，诱导对称脱落涡结构。
没有合成射流控制时，流体流过钝体后如图2a和2c所示，此时上下脱落涡明显不对称，一侧的涡结构更靠近钝体，表明上下脱落的涡不是同步的，而是彼此交替脱落并向下游对流。这种涡脱落模式会导致钝体上有较大的升力变化和较大的阻力，如图3a所示。需要说明升力方向垂直于自由来流方向，阻力方向和自由来流方向相同。当施加本发明的合成射流控制后，如图2b和2d所示，在上下合成射流激励同步作用下，上下脱落的涡结构发生明显变化，同没有合成射流控制工况相比，上下涡同步产生并且对称向下游对流。此时对应钝体圆柱的升力系数和阻力系数如图3b所示，相比于没有合成射流控制的工况，可以发现升力系数基本变为零(图3b中曲线1)，并且阻力系数(图3b中曲线2)也得到降低。说明本方法可以有效的抑制涡致振动，同时可以减小阻力。
以圆柱为例，开启合成射流控制，流场会从没有控制的反对称涡脱落模式转变为对称涡脱落模式，存在一个流场变化的过程。在涡脱落模式转变过程中，圆柱上的升力和阻力会在短时间内发生较大变化。在低频控制模式下，涡脱落模式转化过程会持续短暂时间，可能为几个激励周期，如图4所示。图4中曲线1为阻力系数、曲线2为升力系数、曲线3为激励信号随时间变化曲线。此时激励频率和固有涡脱落频率相等。在一个激励周期后，升力系数变化缩短到很小的范围内，同时一个激励周期内阻力系数平均值也有所减小，这表明涡脱落模式相应发生了改变。说明本发明能在短时间内产生很好的控制效果。进一步研究表明，合成射流开启时间对最终控制效果没有影响，仅仅对涡脱落模式转变过程有一定影响。
本发明在抑制涡致振动的同时有额外的减阻效果。流体流过钝体时，因为粘性的作用，在靠近钝体表面的流体速度较小，远离钝体表面的流体速度大，并在粘性作用下，流体动量较低不足以克服逆压梯度，流动发生分离。对钝体绕流，主要的阻力就源自分离带来的较大的压差阻力。图5a表示t＝0/10t时吹气过程刚开始阶段，可以看到，近壁面流体，流过孔口后就发生了分离。图5b表示t＝3/10t时开始吹气一段时间后，可以看出，在合成射流吹气过程作用下，动量掺混增强，流过孔口的流体得到加速，近壁面流体能进一步克服逆压梯度向下游流动，分离得到抑制。图5c、5d表示t＝6/10t时、t＝8/10t时吸气过程，此时原本近壁面的低速流体在流过孔口时被吸入腔体内，原本远离壁面的高速流动进入近壁面区，因此流过孔口的近壁面区流体速度依然增加，分离得到抑制。在不断周期交替的吹、吸作用下流过圆柱的流动分离得到抑制，因为分离带来的压差阻力减小，总的阻力减小，以上说明了本发明在抑制涡致振动的同时带来减阻效果的原理。
本发明可以依据来流速度变化，主动改变控制信号，改变激励频率和激励强度，进而可以在不同来流下实现对绕流涡脱落模式的控制。同时，本装置可以进一步与反馈控制系统结合，实现反馈控制。反馈系统的反馈信号可以是基于上下钝体表面压力差或其余可以表明涡致振动被抑制的测量值。
具体实例，圆柱直径为60mm，来流速度83.33mm/s，合成射流孔口位置96°，激励频率为涡脱落频率1倍，孔口最大射流速度为来流速度的5倍。合成射流沿着圆柱全展长布置。控制前升力系数脉动在-0.5～0.5，控制后在升力系数脉动量级10-3以下。合成射流控制下升力系数脉动接近0，说明可有效抑制涡致振动。