翼型失速的电磁力控制

论文摘要

本文属于电磁流体控制研究领域，主要从实验方面对翼型绕流特别是翼型失速的电磁力控制进行研究。本文基于描述电磁力（Lorentz力）控制流场流动的无量纲形式的Navier-Stokes方程和电磁场方程，对置于弱电解质溶液中电磁激活板周围的电磁场及产生的电磁力进行了数值模拟，了解其分布特征及其分布规律；采用TMS320F2812（DSP芯片）来组建翼型失速实验控制系统，编写上位机控制界面，灵活改变运动参数，实现位置和速度的控制，模拟实际翼型的动态过程；在此系统的基础上，针对不同攻角、雷诺数和电磁力大小作用条件下的翼型绕流进行实验研究，获取实验结果。包括固定攻角和可变攻角两种情况下，翼型绕流的电磁力控制过程的流场分离及涡的演变特性，以及翼型在不同条件下，尤其是出现失速现象前后所受阻力及升力的变化情况等等。结合相关理论知识分析和讨论实验结果，得到结论如下：（1）数值模拟结果表明，电磁激活板产生的电磁力呈周期性的脉动分布，在流体流动法向上迅速衰减。（2）翼型失速实验控制系统可以方便选择翼型体的运动方式，实现位置和速度的灵活控制。翼型的攻角定位精度为0.9°，能够满足实验要求。（3）利用翼型体表面附近分布的电磁场产生的流向电磁体积力，可以明显改变流体边界层的结构，抑制边界层分离，消除尾流涡街。同时有效地提高翼型体的升力，减少阻力。在本文实验条件下，翼型的临界攻角可由30°增大到40°，因而电磁力可以有效地抑制失速现象的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 电磁力对流体边界层的控制技术概述
• 1.3 翼型失速控制研究概况与发展趋势
• 1.4 本文的主要工作
• 2 电磁流体控制的基本理论
• 2.1 边界层定义及边界层分离
• 2.2 边界层电磁流体控制
• 2.3 翼型的阻力和升力
• 2.4 翼型体的失速特性
• 2.5 本章小结
• 3 流体边界层上电磁力的分布特征
• 3.1 控制方程与电磁场方程
• 3.2 电磁力的分布特征
• 3.2.1 数值计算方法及边界条件的初始化
• 3.2.2 电磁场的数值计算结果
• 3.3 本章小结
• 4 翼型失速实验控制系统的硬件设计
• 4.1 设计要求
• 4.1.1 实验系统的工作原理
• 4.1.2 实验系统的设计要求
• 4.2 总体方案设计
• 4.3 翼型体运动控制模块的设计
• 4.3.1 控制系统主电路板模块的实现
• 4.3.2 步进电机及驱动器的选择
• 4.3.3 驱动器控制系统组成
• 4.3.4 实验台架和机械连接装置
• 4.3.5 制作包覆电磁激活板的翼型体
• 4.4 高稳定度流场装置
• 4.4.1 流场实验装置的设计
• 4.4.2 选取装置使用的变速电机
• 4.4.3 流场显示装置
• 4.4.4 电磁激活板控制电源
• 4.5 应变测力系统模块
• 4.5.1 应变传感器原理
• 4.5.2 应变放大器和数字示波器
• 4.6 本章小结
• 5 翼型失速实验控制系统的软件设计
• 5.1 软件总体设计
• 5.2 上位机程序设计
• 5.2.1 上位机程序的结构及功能模块描述
• 5.2.2 串口通信协议
• 5.2.3 界面功能描述
• 5.3 下位机程序设计
• 5.3.1 DSP的开发环境CCS2.0简介
• 5.3.2 程序的结构及功能描述
• 5.3.3 通信模块及控制模块的实现
• 5.4 系统调试与运行
• 5.5 本章小结
• 6 电磁力作用下的翼型绕流及其失速控制
• 6.1 实验条件与方法简介
• 6.2 固定攻角的翼型绕流场显示
• 6.2.1 未加Lorentz力的翼型绕流
• 6.2.2 正向Lorentz力作用下翼型绕流的消涡控制
• 6.2.3 反向Lorentz力作用下翼型绕流的增涡控制
• 6.3 翼型动态绕流流场显示
• 6.3.1 翼型等速上仰的流场显示
• 6.3.2 翼型等幅摆动的流场显示
• 6.4 升力和阻力的测量实验
• 6.4.1 电磁力对翼型升力的影响
• 6.4.2 电磁力对翼型阻力的影响
• 6.4.3 正向电磁力对翼型失速的控制特性
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文与学术报告