電磁控制渦激振蕩的實驗研究

張 輝，范寶春，陳志華，李鴻志

( 南京理工大學 瞬態物理實驗室，南京 210094)

0 引 言

粘性流體在運動物體表面形成的邊界層，其分離可使該物體阻力增大，產生振動甚至失穩，這往往不是人們所期望的，而這些現象通常可以通過流體邊界層的控制加以抑制。因此邊界層控制成為流體控制領域的熱點研究課題之一［1-3］。

長期以來，人們發現許多控制邊界層流動的方法，其中有些不需向流場提供能量，稱作被動控制，如加置肋條、帶狹縫的板和二次圓柱等等。有些則需要向流場添加能量，稱作主動控制，如振蕩和旋轉圓柱、聲波干擾、表面狹縫吹吸和熱效應等。對于主動控制，向流場提供能量可以根據流場信息來調整，即可以進行反饋式控制，這種控制方式更具實用價值。利用電磁場控制邊界層流動是一種主動控制方法，它可以靈活改變電磁力的方向，實現反饋式控制，甚至制成MEMS 系統，因此受到廣泛關注。早在20 世紀中葉，人們就設想用電磁力控制電解質溶液的流動。Gailitis［4］設計了一種由電極和磁極交錯布置的電磁場激活板，將其浸入流動的弱電解質時，激活板附近形成的Lorentz 力可以改變流體邊界層結構。Weier等［5］將此類激活板包覆在圓柱兩側，對由此形成的圓柱繞流進行了實驗研究，實現了電磁力對圓柱繞流流場的控制。Crawford［6］則從理論上討論了激活板的電磁場和Lorentz 力分布。本課題組對電磁力的減阻機理進行了廣泛深入的研究，并利用非線性優化控制理論對圓柱繞流的電磁控制進行優化［7-9］。以往的文獻討論的對象都是固定圓柱，其升力的控制過程幾乎就是瞬間完成，因此研究意義不大； 而對于振蕩圓柱則不同，由于抑制升力之后，還有振蕩衰減的問題，這個過程是固定圓柱所沒有的，自然相關的機理也無從談起。

為了揭示電磁力減振的過程和機理，本文以圓柱為例，對渦激振蕩及其電磁控制進行了實驗研究。實驗在轉動水槽中進行，通過吊桿將裝有電磁激活板的圓柱插在槽內液體中。吊桿上的應變片用于測試圓柱的升力，注入適當的染料用來顯示流場。根據實驗結果，揭示了流場中渦的變化與圓柱振蕩位置的對應關系，討論了電磁力控制前后流場和升力的變化以及電磁力的強度對控制效果的影響。

1 實驗裝置

由電極條和磁極條相間排列而形成的圓柱形電磁激活板如圖中所示。將該圓柱按圖1 所示方向置于流動的弱電解質溶液中，圓柱表面附近將形成Lorentz 力場，由右手定則( F=J ×B) 可知，Lorentz 力的方向與流體流動方向一致。流體在Lorentz 力的作用下加速，邊界層的結構因此而改變。顯然，電磁激活板生成的Lorentz 力可以用來控制邊界層的流動。

實驗中使用的包覆電磁激活板的圓柱如圖2 所示，電極條與磁極條以交錯分布的形式包覆在圓柱表面，磁極選用剩磁較大的Nd-Fe-B( 釹-鐵-硼) 磁性材料，其磁感應強度約為1 特斯拉。電極條由銅片制作，正負電極由可控電源并聯供電。磁極和電極的寬皆為4mm。圓柱直徑為20mm，用8 對電極( 灰色) 和8 對磁極( 黑色) 來包覆，包覆總長為80mm。

圖1 電磁控制圓柱繞流原理圖Fig.1 Control theory of cylinder wake by Lorentz force

圖2 包覆電磁激活板的圓柱照片Fig.2 Typical photo of cylinder covered with electrodes and magnets

實驗在圖3 所示的水槽中進行。水槽內徑為1000mm ，外徑為2000mm ，深為350mm，由15mm 厚的有機玻璃制成。槽內裝有硫酸銅液體，其電導率和密度與海水相近，電導率約為幾個S/m 。水槽置于由調頻調速電機驅動的轉盤之上，運轉電機采用三相變速電機，其變速比可達200，最慢轉速為每分鐘0.08 轉，對應的最低流速為0.0023m/s。實驗時，先將轉盤啟動10min 左右，使電解質溶液的流動穩定，雷諾數約在150 左右。

為了測試圓柱的升力，將圓柱與裝有應變片的薄板末端相連，如圖4 所示。將薄板一端固定在水槽上方的調整支架上，包覆電磁激活板的圓柱則被插入盛有硫酸銅液體的水槽中，通過調整支架，可以調整圓柱的插入位置和插入深度。圓柱在流體作用下產生橫向位移，從而使薄板上的應變片變形，由此輸出的電信號經數據處理系統處理后，便可得到圓柱所受的升力。

圖3 實驗用的液體槽Fig.3 Liquid circle container used for experiments

圖4 升力測試系統Fig.4 The lift test system

圓柱上游裝有流場顯示裝置，它將高錳酸鉀溶液作為示蹤溶液，從圓柱上游緩緩注入槽內液體中，并隨著流體運動顯現出紅色跡線，這些跡線可以描繪出圓柱的繞流和渦街。

2 實驗結果與討論

圓柱在周期性升力的作用下沿橫向振蕩。振蕩圓柱又會影響周圍流體，使流場發生變化，這又進一步導致圓柱表面水動力的變化。圖5 為Re =150 均勻來流情形下，圓柱在垂直流向渦激振蕩時，一個周期內( T≈14s) 幾個特定瞬間流場形態的實驗照片。由于圓柱的振蕩，上渦脫落時，圓柱位于上側最大位移處，而下渦脫落時圓柱位于下側最大位移處，因此渦街由兩排方向相反的渦列組成。

圖5 渦激振蕩流場形態的周期變化( U=0V)Fig.5 Periodical variations of vortex-induced flow field( U=0V)

當t=0，圓柱到達平衡位置，且以最大速度向下運動，此時上渦和下渦對尾流的影響相當。然后，圓柱逐漸減速，上渦逐漸增強。至t =T/4，上側的流體分離被抑制，壁面渦量變為同號，上渦成為尾流區域的主導渦，圓柱到達最低位置，然后向上運動。此時，上側面成為推壁面，抑制分離能力逐漸減弱，上壁面重新出現流體分離，分離點兩側壁面渦量也重新為異號。至t=2T/4，圓柱以最大向上運動速度再次到達平衡位置，此時，流場與t=0 的對稱。至t=3T/4，圓柱處于最上方，下渦占主導，此時流場與t = T/4 的對稱。然后向下運動，再到t=T( 流場與t=0 時刻的相同) ，完成一個周期的振蕩。

由于采用永久磁鐵和不變的電介質溶液，因此實驗中只有通過改變電極電壓來改變電磁力的大小，電壓越高，電磁力越大。

當電磁力( 電壓U=2.4V) 較小時，渦激振蕩( Re=150) 流場的變化如圖6 所示。電磁力的作用可以增加邊界層附近流體的動量，抑制圓柱兩側流體的分離和脫體，減小脫體導致的升力振蕩，從而可以抑制圓柱的振蕩。因此，圓柱的振幅減小，圓柱上下兩側分離點的距離減小，渦被拉長，沿流向的渦距增大，而垂直流向的渦距減小。所以渦街由兩排方向相反的渦變為一排正負交錯的渦。

圖6 電磁力( U=2.4V) 作用下渦激振蕩流場形態的周期變化Fig.6 Periodical variation of vortex-induced flow field by Lorentz force( U=2.4V)

進一步增大電磁力( 電壓U =9V) ，其控制全過程( Re=150) 如圖7 中( a) ～( f) 所示。圖( a) 為未加電磁力時，振蕩圓柱尾部呈現出雙排方向相反的渦列；施加電磁力后，因流體動量增加而導致的分離點后移以及渦的逐步消失如圖( b) 所示； 之后，圓柱的尾渦在電磁力的作用下后移并脫離圓柱，此時圓柱的振蕩開始逐漸減弱，如圖( c) 所示；圖( d) ，( e) 所示渦的脫體完全被抑制，振蕩迅速衰減；最終，圓柱的振蕩完全被消除，流場達到定常，如圖( f) 所示。

圖7 電磁力( U=9V) 控制過程中渦激振蕩流場形態的變化Fig.7 Variation process of vortex-induced flow field by Lorentz force( U=9V)

流場的變化導致升力的變化。圖8 為Re =150時，渦激振蕩控制過程中升力信號的變化。顯然，電磁力作用下，應力信號的振幅顯著減小。這說明升力的振蕩受到有效抑制，表明對稱電磁力可以有效抑制圓柱的振動。

圖8 控制過程中升力信號的變化( U=9V)Fig.8 Variation of lift signal during the control process( U=9V)

3 結論

利用電介質溶液中圓柱體側表面附近分布的電磁場產生電磁力可有效改變流體邊界層及尾渦結構。本文對渦激振蕩及其電磁控制進行了實驗研究。結果表明：對于渦激振蕩，上下渦脫體時，圓柱處于不同位置，因此尾流渦街由兩排方向相反的渦列組成。在電磁力作用下( U=2.4V) ，渦的脫體被抑制，從而使升力的振蕩減弱，進而抑制圓柱的振蕩，雙排方向相反的渦變為單排正負交錯的渦。當電磁力足夠大( U=9V) 時，圓柱的振蕩被完全消除，流場達到定常。

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