电磁力作用下槽道流的速度响应研究

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在电解质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动,从而达到很好的减阻增升减振等效果。但由于所需的电磁力较大导致控制效率很低,因此以较小的电磁力诱导出大的流动响应成为提高流动控制效率的关键。本文以电磁激励板的优化设计为目的,以层流槽道流动作为研究对象,在槽道的下壁面施加沿展向呈余弦分布的展向电磁力。当电磁力的振幅很小时,利用线性稳定性理论推导了响应速度的解析解,通过对解析解的分析,揭示了在流场中小振幅电磁力诱导出大流动响应的机理。流场进入非线性范围时,通过直接数值模拟对速度响应进行了数值计算,槽道沿流向和展向均采用均匀网格周期性边界条件,沿法向为非均匀网格壁面无滑移条件,利用Fourier-Chebyshev谱方法对N-S控制方程进行空间离散,其中时间项采用三阶精度的半隐式向后差分格式求解。线性项和压力项,通过影响矩阵法和Chebyshev-tau方法联立求解,以消除残余散度。非线性项,利用3/2规则消除混淆误差。结合解析解和数值解,揭示了流场中速度响应的放大机理,讨论了电磁力和流场参数对响应放大效果的影响,并根据最优参数,设计了能激发较大响应的电磁激励板。结果表明:(1)电磁力首先在流场中诱导出展向流动,流体在展向上的挤压使得法向上产生了动量交换,进而使得高速流体转移至壁面附近产生了大的流向速度响应;(2)当振幅较小时,速度响应处于线性范围内,其与电磁力振幅A和雷诺数的平方Re~2成正比。随着渗透深度(35)的增大,速度响应值先迅速增大后缓慢减小;随着展向波数Kz的增大,其值单调减小。另外,随着电磁力振幅的增大,速度响应进入非线性范围,其值先增大后减小,但放大倍数是单调减小的。在振幅处于10-3~10-2量级时,速度响应可达到最大值超过0.2,此时的放大倍数在10~2量级;(3)在上述大响应机制和参数优化的基础上,采用了一种全新的电极和磁条排布方式设计电磁激励板,此电磁激励板可在一定工况下诱导出大的流向速度响应。
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