摘 要： 圆柱体作为常见的一种钝体结构, 其流动分离控制一直备受关注, 而通过电磁力实现流动分离控制是当下研究的热点之一。该文以圆柱结构为对象着重介绍了电磁力控制圆柱体结构绕流的含义和研究现状, 并对不同磁极宽度对圆柱绕流的影响进行了概括, 同时简要介绍了含有电磁力的流动控制方程。最后, 针对目前研究中存在的不足, 提出应重视在高雷诺数条件下电磁力对圆柱体绕流影响的研究、计算流体力学与实验流体力学方法相结合这两点建议。
关键词： 流动控制; 电磁力; 圆柱绕流; 计算流体力学; 实验流体力学;
一、引言
圆柱绕流在流体力学中是一类经典问题。在实际的海洋工程应用中, 海洋立管、输油气管道和浮式平台立柱等均属于圆柱型结构, 该结构在海洋工程中应用广泛。当海流流经圆柱型结构时, 结构表面流动分离会使其阻力增大。因此, 对圆柱结构表面的流动分离进行有效控制, 可以减小圆柱型结构阻力。由此可见, 开展关于圆柱结构流动分离控制的研究, 对提高海洋工程结构的安全性, 有重要学术意义和潜在实用价值。
由边界层理论可知圆柱体表面的流动分离与其边界层内流体动能的损耗有关。圆柱体的主动流动分离控制正是通过使用某种能够改变圆柱体边界层内流体动能方法, 改变圆柱体表面绕流的流动状态, 进一步抑制圆柱体表面的流动分离。电磁力是主动控制船舶与海洋工程结构物流动分离现象的一种新方法, 船舶与海洋工程结构物所处的海水环境具有良好的导电性, 该方法利用这一特性, 能够控制海水在结构物周围的流动状态, 进而改善其绕流场, 提高其水动力性能。并且电磁力有更好的可控制性, 一些精确和高级的主动控制策略可通过计算机实现。本文对多年来电磁力主动控制圆柱体绕流的主要研究成果进行了回顾和总结, 并对不同磁极宽度对圆柱体绕流的影响进行了总结。
二、电磁力主动控制圆柱体绕流研究现状
早期这类问题的研究多是以实验为主, 并且大多数的实验研究集中在低雷诺数条件下电磁力对圆柱体绕流的影响。通过将表面包覆电极和磁极的圆柱体模型放置于弱电解质中, 并对圆柱绕流场特性进行观察。Weier等[1]得到如下结果, 在层流状态时, 圆柱体边界层的流动分离被电磁力有效控制, 同时圆柱体阻力减小。
周本谋等[2,3]借助旋转实验台研究了在低雷诺数条件下电磁力对圆柱绕流场的影响, 研究发现, 通过使用不同大小和方向电磁力可以使圆柱体的流动分离点前后移动。张辉等研究了电极和磁极的尺寸与控制效果之间的关系, 研究表明电磁极宽度对圆柱绕流中分离位置的控制有较大的影响。
在数值模拟方面, 二维直接数值模拟是广泛被采用的方法。Posdziech等研究了电磁力对圆柱层流绕流场卡门涡、升力脉动特性的影响问题。Kim等研究了电磁极包覆位置对圆柱绕流场及升阻力特性的影响问题。
三、不同电磁极宽度对圆柱绕流场特性的影响
在雷诺数Re=200的情况下, 通过分析文献中的研究成果, 可以得到以下结论:
无量纲磁极宽度在大小不同的电磁力作用参数区间内对圆柱绕流的影响是不同的。具体的当电磁力作用参数小于1.0时, 无量纲磁极宽度对圆柱体绕流场结构的影响可以忽略。当电磁力作用参数大于1.0时, 存在一个临界电磁力作用参数, 该参数随着无量纲磁极宽度增大而增大, 当电磁力作用参数大于该临界值时, 流动分离可以完全被抑制。
四、含电磁力的流动控制方程
本节从流动及电磁场控制方程入手, 介绍了含电磁力的不可压缩的Navier-Stokes方程。
概括的来说流体动力学方程中的连续性方程和动量方程是宏观运动的一般规律, 如质量守恒、动量守恒等的具体表现形式。对电磁力流动控制问题, 电磁力作为一种体积力, 可以直接加入到流动控制方程的动量守恒方程中。为了方便实际应用, 该节的两个运输方程都是写成了便于使用开源软件OpenFOAM计算的格式。
J—电流密度;
B—磁感应强度。
描述电解质溶液中电场和磁场分布的Maxwel’s方程组
其中, μ为磁导率系数, 在物理学中D表示电位移场。
当时, 可忽略该项, 则
该方程称为磁感应方程, 它描述了电场与导电流体相互作用时, 磁场随时间的变化的规律。
四、结束语
由于电磁力主动流动控制方法在船舶与海洋工程领域有潜在的应用前景。在最近二十多年中, 在实验条件受到限制的情况下, 对层流的电磁力流动控制问题已成为国际水动力学界的研究热点之一。但是对高雷诺数下电磁力控制圆柱绕流特性目前尚不十分清楚。经过系统学习和分析, 现提出以下几点建议。
(1) 在船舶与海洋工程的实际工程环境中, 雷诺数一般至少为310量级, 因此, 在今后的研究中, 应该集中探索电磁力对高雷诺数条件下具有明显的三维特性的圆柱体绕流场的影响。
(2) 随着高性能计算机的不断发展和现代计算流体力学理论的不断完善, 采用CFD (Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 方法将成为研究高雷诺数条件下电磁力对圆柱三维绕流场影响的主要手段之一。因此在以后的研究中, 应该重视数值计算, 同时将数值计算与实验研究有机的结合起来, 着重理论研究, 用理论更好地指导实践。
参考文献
[1]周本谋, 范宝春, 陈志华等.流体边界层上电磁力的控制效应研究[J]. (中国航海) , 2004, 36 (4) :472-478.
[2]周本谋, 范宝春, 陈志华等.电磁体积力作用下的圆柱绕流实验研究[J]. (港航科技) , 2006, 23 (4) :172-176.
[3]张辉.圆柱绕流电磁控制影响因素的实验研究[J]. (中国水运) , 2009, 24 (5) :427-432.
[4]张辉, 范宝春, 陈志华.电磁激活板的宽度对圆柱绕流控制的影响[J].工程力学, 2007, 24 (12) :164-168.
