[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

说明书

本发明涉及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，该控制系统包括：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；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；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；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。本发明设计合理，在不同速度下获得了较好的减阻效果，并且利用大尺度形状函数提高了工程实用性和控制简易性，且有效地满足了减小壁面摩擦阻力以及总阻力的需求。

技术领域

本发明属于水下航行控制技术领域，尤其是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。

背景技术

对于水下航行器和水上船只来说，减少阻力能够减少能源的损耗和提高快速性。对于水上船只，表面总阻力中摩擦阻力占比为50％，而水下航行器的摩擦阻力占比高达70％，因此研究减少摩擦阻力的技术意义重大。许多海洋生物进化形成了具有高效减阻功能的皮肤结构，其中鲨鱼皮表面的盾鳞微结构受到广泛研究，而海豚皮肤结构同样是一个重要研究对象，目前对海豚皮肤减阻机理有柔性壁面减阻、随行波减阻、自适应形变减阻等解释。

根据有无外界能量或物质输入，湍流减阻技术可划分为主动和被动减阻技术两类。两种减阻技术通过不同的方式影响边界层内湍流结构的发展，抑制湍流猝发，维持近壁面湍流流动的稳定，从而达到减阻目的，并且各有其优势和劣势。其中主动减阻技术通过对近壁面流场施加外界干扰来降低阻力，能够针对复杂流场进行调控，具有较高的减阻率，但需要在艇体上安装相应的控制装置或控制系统，容易破坏艇体表面的整体结构，增大了工艺成本，而且需要持续地提供添加剂或能量。而被动减阻技术则不需要外界输入额外的能量，它通过改变流场中物体的表面结构或特性引起流场的变化，从而降低表面阻力，但减阻性能往往不如主动减阻技术。

壁面自适应变形的致动方式是主动反馈控制减阻壁面设计的关键。目前国内外对于自适应减阻技术的研究，从致动器来看主要有壁面吹吸方式与凹坑方式。壁面吹吸致动方式作为研究人员最早提出的湍流主动控制方案数值模拟的模型，是现有主动控制研究中最常用的对比方案，这种设想在数值模拟中较容易实现。近几年来，随着对湍流相干结构的发现，人们不断深化了对湍流阻力来源的认识。主动反馈控制基于对流场信息的采集，采用特定的控制策略及致动方式，较为精确的对流场相关结构流向涡等施加控制，其适用流场巧围广，能够随流场变化实时调整，在复杂多变的流场环境中，仍能保持较为稳定良好的减阻效果。

近年来仿生减阻技术得到了一定的发展，仿生减阻研究较少考虑到海豚皮肤自适应减阻的特性，并且仿生结构多为微尺度，虽然微尺度结构在湍流减阻中取得了很好的成果，但在实际应用中存在加工精度要求高、易被生物附着而失效等困难，使得应用于真实航行器等表面难度太大，且易损坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出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，用于提高湍流减阻的减阻率并解决微尺度结构加工精度高、易被生物附着而失效的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，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。

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，包括以下步骤：