[发明专利]一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统和方法

权利要求书

1.一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：包括速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块；

所述速度信号获取模块：获取距壁面网格一定位置处的流场信息，并从流场信息中提取出每个网格节点的法向速度作为输入信号；

所述速度信号控制模块：使用控制方程将输入信号转化为控制壁面各个位置的壁面变形速度；

所述壁面控制变形模块：根据壁面变形速度，基于大尺度变形的形状函数，对壁面进行变形控制，进而干扰湍流边界层达到湍流减阻效果。

2.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号获取模块使用CFD方法获取流场信息。

3.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号获取模块获取的流场信息为距离壁面y+≈5处的流场信息，其中y+为壁面法向距离的无量纲化表示。

4.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号控制模块使用的控制方程为：根据当前时间步的法向速度(v_y)ⁿ以及壁面变形速度(v)ⁿ来控制下一时间步的壁面变形速度(v)ⁿ⁺¹，该控制方程表示为：

(v)ⁿ⁺¹＝zc(v_y)ⁿ+(1-z)(v)ⁿ

其中z与c为相关系数，z取值范围为0.05到0.015之间，c取值范围为0.55到1.45之间。

5.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述大尺度变形的形状函数f(x)表示如下：

其中，h为壁面变形的约束幅值，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。

6.如权利要求1至5任一项所述一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据海豚皮肤嵴结构构建大尺度变形的形状函数，建立流体域模型并划分网格；

步骤2、利用CFD方法对流体域模型进行稳态计算至收敛；

步骤3、利用CFD方法导入速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块，利用网格技术对流体域模型进行瞬态计算；

步骤4、速度信号获取模块获取瞬态流场信息，并提取出壁面边界层内y+≈5处的壁面法向速度v_y；

步骤5、速度信号控制模块将提取出的一个变形形状周期内的壁面法向速度v_y进行平均处理得到一个变形形状周期周期内的平均壁面法向速度v_y1，根据控制方程将平均壁面法向速度v_y1转化为控制壁面运动的壁面变形速度v_n；

步骤6、壁面控制变形模块将步骤5得到的壁面变形速度v_n与时间步长相乘得到瞬态时间步内的壁面变形量h_h，并将壁面变形量h_h作为控制形状函数的幅值，计算单个时间步内壁面变形量，当壁面变形量未达到约束幅值时，重复执行步骤4至步骤6，直至达到约束幅值；

步骤7、在变形过程中，观察壁面摩擦阻力以及总阻力变化情况，从而得到壁面变形时最优减阻率。

7.根据权利要求6所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：所述大尺度变形的形状函数表示如下：

其中，h为壁面变形的约束幅值，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。