一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、所述推杆的下方轮廓点经拟合呈现为正弦曲线。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

技术特征：

1.一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述推杆的长短不一。

4.根据权利要求2所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述推杆的下方轮廓点经拟合呈现为正弦曲线。

5.根据权利要求2所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述支撑架上安装有驱动架，驱动架滑动连接在第二直线滑台模组上。

8.根据权利要求1所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述循环水洞及驱动壁面变形装置均与控制系统连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述第一直线滑台模组沿展向方向布设。

10.根据权利要求1所述的一种用于湍流控制的壁面变形-微气泡耦合调控装置，其特征在于，所述第二直线滑台模组沿流向方向布设。

技术总结
本发明公开了一种用于湍流控制的壁面变形‑微气泡耦合调控装置，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。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。

技术研发人员：赵磊,朱东坡,田桂中,冯晓明,贾稳哲,韦恺然,褚加辉,匡瑞,邵章政,侯怡林
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16