基于等离子激励器诱发流向涡的湍流边界层主动控制减阻-动力工程及工程热物理专业论文.docx

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基于等离子激励器诱发流向涡的湍流边界层主动控制减阻-动力工程及工程热物理专业论文

Classified Index: TP24 U.D.C: 629.7Dissertation for the Master Degree in EngineeringACTIVE DRAG REDUCTION IN A TURBULENT BOUNDARY LAYER BASED ON PLASMA-ACTUATOR-GENERATED STREAMWISE VORTICESCandidate:Li YupengSupervisor:Associate Prof. Chi Wai Wong Academic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty:Power Engineering andEngineering ThermophysicsAffiliation:Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence:December, 2014Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology摘 要湍流边界层主动控制减阻由于其在实践应用和基础研究方面的重要性,从而 倍受科研领域关注。本课题实验研究了基于介质阻挡放电等离子激励器所诱发流 向涡的平板湍流边界层壁面摩擦减阻。本文中研究了四种能够在湍流边界层中诱发流向涡的等离子激励器。利用时 间分辨 PIV 捕捉垂直于来流平面中流向涡的发展和相互作用过程,并利用测力天 平测量壁面摩擦阻力。提出了一种新的标定方法,提高了测力天平对摩擦阻力变 化的分辨率。研究发现由于等离子激励器诱发流向涡和湍流边界层的相互作用, 最大减阻量达 50%。同时还研究了控制效率,定义为减阻量与等离子激励器功率 消耗的比值。通过对控制后流动的热线实验测量,研究了等离子诱发流向涡对于 湍流边界层中流向速度 u 的统计量分布、等离子激励器下游的展向阻力分布和流 向阻力恢复的影响。针对其中一种激励器(B 方案),在 xz 面(y+ = 24)处的烟线流动显示表明 了低速条带由于等离子力的作用被推向激励器对中心,造成了大量的湍流能耗 散。PIV 结果表明由于控制后流动中的高能量耗散导致近壁面的条带结构尺度从 大结构变为小结构,并且条带结构的强度降低,同时低速条带的平均间距变宽。 另一方面,准流向涡的平均角度由 9°减小为 4°,低速条带的上升被抑制,这 削弱了近壁面处的旋涡再生循环。关键词:湍流边界层;流向涡;主动控制;等离子激励器ABSTRACTActive drag reduction of turbulent boundary layers has received a great attention in the literature due to its practical and fundamental importance. This work aims to investigate experimentally the friction drag reduction in a turbulent boundary layer on flat plate based on streamwise vortices generated by using dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators.Four plasma actuators were explored, of which they all could generate streamwise vortices in the turbulent boundary layer. While the time-resolved PIV was used to capture the development and interaction of streamwise vortices in a plane normal to the mean flow, a surface balance technique was deployed to measure the skin friction drag. A new calibration method was proposed for this technique to resolve accurately the friction drag change. It has been found that the plasma-actuator-generated vortices and their interactions with the boundary layer led to

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