一种带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及一种带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，其属于流体动力学领 域。
【背景技术】：
[0002] 纯体绕流问题在工程实际中常可遇到，如风对各种建筑物的绕流，河水流过桥墳， 各种飞行器的设计等。当一定速度的流体流过纯体时，在纯体的尾部会有满脱落现象发生。 满的脱落会使得纯体表面力出现不对称，如果纯体是弹性支撑，纯体会发生振动。纯体的振 动现象是实际工程领域中的常发现象，并会在不利条件下造成结构巧塌，甚至引发灾难性 事故。为了避免运些事故的发生，对纯体绕流尾满的抑制是非常有必要的。
[0003] 对于纯体绕流问题，尤其W圆柱绕流最为常见和重要，对于圆柱绕流流动控制的 研究也是了解其他各种柱状纯体绕流的基础。目前，对于柱体的流动控制大部分是通过利 用其它的刚体来实现。在自然界中，可W经常观察到柔性体在流体中的运动。例如，风吹动 树叶使其变成不同的形态，旗峽随风飘动，水中的鱼等。在流动控制中引入柔性体，既没有 外界能量输出，柔性体也可W随着流体的流动而运动。由于其良好的特性，柔性体已经初步 应用于流动控制。
[0004] 但是，大部分纯体流动控制的研究都是引入单个柔性体，很少对引入一个W上的 柔性体后流动控制状态进行研究。所W，运就促使我们对引入一个W上的柔性体后纯体的 流动控制状态的有效性进行研究。
【发明内容】
：
[0005] 基于现有的单个柔性板对圆柱绕流的控制方法，本发明引入两块柔性板，进一步 抑制尾满、减小升阻力，W达到更好的圆柱绕流控制效果。
[0006] 本发明采用如下技术方案：一种带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，其包括 如下步骤：
[0007] (1)对于一个固定的圆柱形结构，在其横截面圆周处较接两块成一定角度a的柔性 板；
[000引（2)柔性板在周围流场的作用下会发生变形，定义柔性板的位置向量为x(s，t)，其 变形的数学表达式为：
[0010]其中S是沿着柔性板的体轴系坐标，Ps是柔性板的线性密度，T是沿着柔性板的张 力，Kb是弯曲系数，Ff是流场对柔性板的作用力向量；
[OOW (3)定义两个与柔性板属性有关的无量纲参数:质量比化、频率比Wr,它们的数学表 达式分别为
[OOK]其中P是自由来流密度，L是柔性板长度，W，, =Il/玉;f抓拉是柔性板的第一固 有频率，Kb是柔性板的弯曲系数，它代表柔性板的刚度，通过调整频率比Wr，W改变柔性板的 刚度。
[0014]进一步地，在柔性板与圆柱的较接处，使用简支边界条件，即：
[0016]对于柔性板自由端，利用如下条件：
[0018] 本发明具有如下有益效果:本发明在圆柱横截面圆周处安装两块柔性板，给定固 定柔性板质量比和长度，调整柔性板的刚度、柔性板较接位置间的角度，达到了减小圆柱升 阻力、抑制满脱落的目的。
【附图说明】：
[0019] 图1是较接有两块对称柔性板的圆柱示意图。
[0020] 其中：图1(a)为S维示意图，图1(b)为二维示意图。
[0021] 图2是本发明所得的单个圆柱，较接有单个柔性板的圆柱及较接有两块对称柔性 板的圆柱在不同频率比情况下升阻力系数的比较。
[0022] 其中：图2(a)为最大升力系数A Cl随频率比的变化曲线，图2(a)为平均阻力系数 随频率比的变化曲线。
【具体实施方式】：
[0023] 请参照图1所示，本发明带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，通过调整柔性板 的刚度和较接角度，W确定最优的控制变量。柔性板在周围流场的作用下会发生变形。其包 括如下步骤：
[0024] (1)对于一个固定的圆柱形结构，在其横截面圆周处较接两块成一定角度a的柔性 板；
[0025] (2)柔性板在周围流场的作用下会发生变形，定义柔性板的位置向量为X(s，t)，其 变形的数学表达式为：
[0027]其中S是沿着柔性板的体轴系坐标，Ps是柔性板的线性密度，T是沿着柔性板的张 力，Kb是弯曲系数，Ff是流场对柔性板的作用力向量；
[002引（3)定义两个与柔性板属性有关的无量纲参数:质量比化、频率比Wr,它们的数学表 达式分别为
[0030] 其中P是自由来流密度，L是柔性板长度，-HV= (；]/ 粗JPs是柔性板的第一固 有频率，Kb是柔性板的弯曲系数，它代表柔性板的刚度，通过调整频率比Wr，可改变柔性板的 刚度。
[0031] 对于本项发明，在柔性板与圆柱的较接处，使用简支边界条件，即：
[0033]对于柔性板自由端，利用如下条件：
[0035] 另外，本发明的柔性板质量比定为1，柔性板长度等于圆柱直径，Wr从0.2变化到 1.5,考虑2个不同的较接角度a(a = 〇°，90°)。
[0036] 不同角度下最大升力系数A Cl和平均阻力系数G/随频率比的变化曲线如图2所 示。与单个圆柱的升阻力结果相比较，较接了柔性板情况下的升阻力系数均小于单个圆柱 的情况。也就是说柔性板的使用达到了较好的控制效果。对于90°情况，两块柔性板下的圆 柱绕流的升力系数均小于0°情况，即单个柔性板。对于阻力系数，除了 Wr = O.8算例之外，两 块柔性板在其余算例下的阻力系数的结果均小于单个柔性板的结果。经过数值结果对比研 究发现，当a为90°，Wr为0.6时，控制效果达到最优。
[0037] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可W作出若干改进，运些改进也应视为本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，其特征在于:包括如下步骤 (1) 对于一个固定的圆柱形结构，在其横截面圆周处较接两块成一定角度a的柔性板； (2) 柔性板在周围流场的作用下会发生变形，定义柔性板的位置向量为X(s，t)，其变形 的数学表达式为：其中S是沿着柔性板的体轴系坐标，Ps是柔性板的线性密度，T是沿着柔性板的张力，Kb 是弯曲系数，Ff是流场对柔性板的作用力向量； (3) 定义两个与柔性板属性有关的无量纲参数:质量比mr、频率比Wr,它们的数学表达式 分别为其中P是自由来流密度，L是柔性板长度，二(1 /王)是柔性板的第一固有频 率，Kb是柔性板的弯曲系数，它代表柔性板的刚度，通过调整频率比Wr, W改变柔性板的刚 度。2. 如权利要求1所述的带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，其特征在于： 在柔性板与圆柱的较接处，使用简支边界条件，即：对于柔性板自由端，利用如下条件：
【专利摘要】本发明公开一种带两块对称柔性板的圆柱流动控制方法，其通过圆柱横截面圆周处安装两块柔性板，给定固定柔性板质量比和长度，调整柔性板的刚度、柔性板铰接位置间的角度，达到了减小圆柱升阻力、抑制涡脱落的目的。
【IPC分类】F15D1/00
【公开号】CN105587716
【申请号】CN201610029670
【发明人】吴杰, 吴晶, 詹佳普
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2016年1月15日