电磁控制涡激振荡的实验研究

张 辉，范宝春，陈志华，李鸿志

( 南京理工大学 瞬态物理实验室，南京 210094)

0 引 言

粘性流体在运动物体表面形成的边界层，其分离可使该物体阻力增大，产生振动甚至失稳，这往往不是人们所期望的，而这些现象通常可以通过流体边界层的控制加以抑制。因此边界层控制成为流体控制领域的热点研究课题之一［1-3］。

长期以来，人们发现许多控制边界层流动的方法，其中有些不需向流场提供能量，称作被动控制，如加置肋条、带狭缝的板和二次圆柱等等。有些则需要向流场添加能量，称作主动控制，如振荡和旋转圆柱、声波干扰、表面狭缝吹吸和热效应等。对于主动控制，向流场提供能量可以根据流场信息来调整，即可以进行反馈式控制，这种控制方式更具实用价值。利用电磁场控制边界层流动是一种主动控制方法，它可以灵活改变电磁力的方向，实现反馈式控制，甚至制成MEMS 系统，因此受到广泛关注。早在20 世纪中叶，人们就设想用电磁力控制电解质溶液的流动。Gailitis［4］设计了一种由电极和磁极交错布置的电磁场激活板，将其浸入流动的弱电解质时，激活板附近形成的Lorentz 力可以改变流体边界层结构。Weier等［5］将此类激活板包覆在圆柱两侧，对由此形成的圆柱绕流进行了实验研究，实现了电磁力对圆柱绕流流场的控制。Crawford［6］则从理论上讨论了激活板的电磁场和Lorentz 力分布。本课题组对电磁力的减阻机理进行了广泛深入的研究，并利用非线性优化控制理论对圆柱绕流的电磁控制进行优化［7-9］。以往的文献讨论的对象都是固定圆柱，其升力的控制过程几乎就是瞬间完成，因此研究意义不大； 而对于振荡圆柱则不同，由于抑制升力之后，还有振荡衰减的问题，这个过程是固定圆柱所没有的，自然相关的机理也无从谈起。

为了揭示电磁力减振的过程和机理，本文以圆柱为例，对涡激振荡及其电磁控制进行了实验研究。实验在转动水槽中进行，通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中。吊杆上的应变片用于测试圆柱的升力，注入适当的染料用来显示流场。根据实验结果，揭示了流场中涡的变化与圆柱振荡位置的对应关系，讨论了电磁力控制前后流场和升力的变化以及电磁力的强度对控制效果的影响。

1 实验装置

由电极条和磁极条相间排列而形成的圆柱形电磁激活板如图中所示。将该圆柱按图1 所示方向置于流动的弱电解质溶液中，圆柱表面附近将形成Lorentz 力场，由右手定则( F=J ×B) 可知，Lorentz 力的方向与流体流动方向一致。流体在Lorentz 力的作用下加速，边界层的结构因此而改变。显然，电磁激活板生成的Lorentz 力可以用来控制边界层的流动。

实验中使用的包覆电磁激活板的圆柱如图2 所示，电极条与磁极条以交错分布的形式包覆在圆柱表面，磁极选用剩磁较大的Nd-Fe-B( 钕-铁-硼) 磁性材料，其磁感应强度约为1 特斯拉。电极条由铜片制作，正负电极由可控电源并联供电。磁极和电极的宽皆为4mm。圆柱直径为20mm，用8 对电极( 灰色) 和8 对磁极( 黑色) 来包覆，包覆总长为80mm。

图1 电磁控制圆柱绕流原理图Fig.1 Control theory of cylinder wake by Lorentz force

图2 包覆电磁激活板的圆柱照片Fig.2 Typical photo of cylinder covered with electrodes and magnets

实验在图3 所示的水槽中进行。水槽内径为1000mm ，外径为2000mm ，深为350mm，由15mm 厚的有机玻璃制成。槽内装有硫酸铜液体，其电导率和密度与海水相近，电导率约为几个S/m 。水槽置于由调频调速电机驱动的转盘之上，运转电机采用三相变速电机，其变速比可达200，最慢转速为每分钟0.08 转，对应的最低流速为0.0023m/s。实验时，先将转盘启动10min 左右，使电解质溶液的流动稳定，雷诺数约在150 左右。

为了测试圆柱的升力，将圆柱与装有应变片的薄板末端相连，如图4 所示。将薄板一端固定在水槽上方的调整支架上，包覆电磁激活板的圆柱则被插入盛有硫酸铜液体的水槽中，通过调整支架，可以调整圆柱的插入位置和插入深度。圆柱在流体作用下产生横向位移，从而使薄板上的应变片变形，由此输出的电信号经数据处理系统处理后，便可得到圆柱所受的升力。

图3 实验用的液体槽Fig.3 Liquid circle container used for experiments

图4 升力测试系统Fig.4 The lift test system

圆柱上游装有流场显示装置，它将高锰酸钾溶液作为示踪溶液，从圆柱上游缓缓注入槽内液体中，并随着流体运动显现出红色迹线，这些迹线可以描绘出圆柱的绕流和涡街。

2 实验结果与讨论

圆柱在周期性升力的作用下沿横向振荡。振荡圆柱又会影响周围流体，使流场发生变化，这又进一步导致圆柱表面水动力的变化。图5 为Re =150 均匀来流情形下，圆柱在垂直流向涡激振荡时，一个周期内( T≈14s) 几个特定瞬间流场形态的实验照片。由于圆柱的振荡，上涡脱落时，圆柱位于上侧最大位移处，而下涡脱落时圆柱位于下侧最大位移处，因此涡街由两排方向相反的涡列组成。

图5 涡激振荡流场形态的周期变化( U=0V)Fig.5 Periodical variations of vortex-induced flow field( U=0V)

当t=0，圆柱到达平衡位置，且以最大速度向下运动，此时上涡和下涡对尾流的影响相当。然后，圆柱逐渐减速，上涡逐渐增强。至t =T/4，上侧的流体分离被抑制，壁面涡量变为同号，上涡成为尾流区域的主导涡，圆柱到达最低位置，然后向上运动。此时，上侧面成为推壁面，抑制分离能力逐渐减弱，上壁面重新出现流体分离，分离点两侧壁面涡量也重新为异号。至t=2T/4，圆柱以最大向上运动速度再次到达平衡位置，此时，流场与t=0 的对称。至t=3T/4，圆柱处于最上方，下涡占主导，此时流场与t = T/4 的对称。然后向下运动，再到t=T( 流场与t=0 时刻的相同) ，完成一个周期的振荡。

由于采用永久磁铁和不变的电介质溶液，因此实验中只有通过改变电极电压来改变电磁力的大小，电压越高，电磁力越大。

当电磁力( 电压U=2.4V) 较小时，涡激振荡( Re=150) 流场的变化如图6 所示。电磁力的作用可以增加边界层附近流体的动量，抑制圆柱两侧流体的分离和脱体，减小脱体导致的升力振荡，从而可以抑制圆柱的振荡。因此，圆柱的振幅减小，圆柱上下两侧分离点的距离减小，涡被拉长，沿流向的涡距增大，而垂直流向的涡距减小。所以涡街由两排方向相反的涡变为一排正负交错的涡。

图6 电磁力( U=2.4V) 作用下涡激振荡流场形态的周期变化Fig.6 Periodical variation of vortex-induced flow field by Lorentz force( U=2.4V)

进一步增大电磁力( 电压U =9V) ，其控制全过程( Re=150) 如图7 中( a) ～( f) 所示。图( a) 为未加电磁力时，振荡圆柱尾部呈现出双排方向相反的涡列；施加电磁力后，因流体动量增加而导致的分离点后移以及涡的逐步消失如图( b) 所示； 之后，圆柱的尾涡在电磁力的作用下后移并脱离圆柱，此时圆柱的振荡开始逐渐减弱，如图( c) 所示；图( d) ，( e) 所示涡的脱体完全被抑制，振荡迅速衰减；最终，圆柱的振荡完全被消除，流场达到定常，如图( f) 所示。

图7 电磁力( U=9V) 控制过程中涡激振荡流场形态的变化Fig.7 Variation process of vortex-induced flow field by Lorentz force( U=9V)

流场的变化导致升力的变化。图8 为Re =150时，涡激振荡控制过程中升力信号的变化。显然，电磁力作用下，应力信号的振幅显著减小。这说明升力的振荡受到有效抑制，表明对称电磁力可以有效抑制圆柱的振动。

图8 控制过程中升力信号的变化( U=9V)Fig.8 Variation of lift signal during the control process( U=9V)

3 结论

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变流体边界层及尾涡结构。本文对涡激振荡及其电磁控制进行了实验研究。结果表明：对于涡激振荡，上下涡脱体时，圆柱处于不同位置，因此尾流涡街由两排方向相反的涡列组成。在电磁力作用下( U=2.4V) ，涡的脱体被抑制，从而使升力的振荡减弱，进而抑制圆柱的振荡，双排方向相反的涡变为单排正负交错的涡。当电磁力足够大( U=9V) 时，圆柱的振荡被完全消除，流场达到定常。

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