一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统和方法与流程

1.本发明属于水下航行控制技术领域，尤其是一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统和方法。


背景技术：

2.对于水下航行器和水上船只来说，减少阻力能够减少能源的损耗和提高快速性。对于水上船只，表面总阻力中摩擦阻力占比为50％，而水下航行器的摩擦阻力占比高达70％，因此研究减少摩擦阻力的技术意义重大。许多海洋生物进化形成了具有高效减阻功能的皮肤结构，其中鲨鱼皮表面的盾鳞微结构受到广泛研究，而海豚皮肤结构同样是一个重要研究对象，目前对海豚皮肤减阻机理有柔性壁面减阻、随行波减阻、自适应形变减阻等解释。
3.根据有无外界能量或物质输入，湍流减阻技术可划分为主动和被动减阻技术两类。两种减阻技术通过不同的方式影响边界层内湍流结构的发展，抑制湍流猝发，维持近壁面湍流流动的稳定，从而达到减阻目的，并且各有其优势和劣势。其中主动减阻技术通过对近壁面流场施加外界干扰来降低阻力，能够针对复杂流场进行调控，具有较高的减阻率，但需要在艇体上安装相应的控制装置或控制系统，容易破坏艇体表面的整体结构，增大了工艺成本，而且需要持续地提供添加剂或能量。而被动减阻技术则不需要外界输入额外的能量，它通过改变流场中物体的表面结构或特性引起流场的变化，从而降低表面阻力，但减阻性能往往不如主动减阻技术。
4.壁面自适应变形的致动方式是主动反馈控制减阻壁面设计的关键。目前国内外对于自适应减阻技术的研究，从致动器来看主要有壁面吹吸方式与凹坑方式。壁面吹吸致动方式作为研究人员最早提出的湍流主动控制方案数值模拟的模型，是现有主动控制研究中最常用的对比方案，这种设想在数值模拟中较容易实现。近几年来，随着对湍流相干结构的发现，人们不断深化了对湍流阻力来源的认识。主动反馈控制基于对流场信息的采集，采用特定的控制策略及致动方式，较为精确的对流场相关结构流向涡等施加控制，其适用流场巧围广，能够随流场变化实时调整，在复杂多变的流场环境中，仍能保持较为稳定良好的减阻效果。
5.近年来仿生减阻技术得到了一定的发展，仿生减阻研究较少考虑到海豚皮肤自适应减阻的特性，并且仿生结构多为微尺度，虽然微尺度结构在湍流减阻中取得了很好的成果，但在实际应用中存在加工精度要求高、易被生物附着而失效等困难，使得应用于真实航行器等表面难度太大，且易损坏。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统和方法，用于提高湍流减阻的减阻率并解决微尺度结构加工精度高、易被生物附着而失效的问题。
7.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
8.一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，包括速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块；
9.所述速度信号获取模块：获取距壁面网格一定位置处的流场信息，并从流场信息中提取出每个网格节点的法向速度作为输入信号；
10.所述速度信号控制模块：使用控制方程将输入信号转化为控制壁面各个位置的壁面变形速度；
11.所述壁面控制变形模块：根据壁面变形速度，基于大尺度变形的形状函数，对壁面进行变形控制，进而干扰湍流边界层达到湍流减阻效果。
12.一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
13.步骤1、根据海豚皮肤嵴结构构建大尺度变形的形状函数，建立流体域模型并划分网格；
14.步骤2、利用cfd方法对流体域模型进行稳态计算至收敛；
15.步骤3、利用cfd方法导入速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块，利用网格技术对流体域模型进行瞬态计算；
16.步骤4、速度信号获取模块获取瞬态流场信息，并提取出壁面边界层内y+≈5处的壁面法向速度vy；
17.步骤5、速度信号控制模块将提取出的一个变形形状周期内的壁面法向速度vy进行平均处理得到一个变形形状周期周期内的平均壁面法向速度v
y1
，根据控制方程将平均壁面法向速度v
y1
转化为控制壁面运动的壁面变形速度vn；
18.步骤6、壁面控制变形模块将步骤5得到的壁面变形速度vn与时间步长相乘得到瞬态时间步内的壁面变形量hh，并将壁面变形量hh作为控制形状函数的幅值，计算单个时间步内壁面变形量，当壁面变形量未达到约束幅值时，重复执行步骤4至步骤6，直至达到约束幅值；
19.步骤7、在变形过程中，观察壁面摩擦阻力以及总阻力变化情况，从而得到壁面变形时最优减阻率。
20.本发明的优点和积极效果是：
21.1、本发明仿照海豚减阻特性，结合海豚皮肤随行波减阻与自适应减阻的特性，通过速度信号获取模块获得仿真流场速度信息，选择距离壁面一定位置的流场法向速度作为速度信号输入，通过速度信号控制模块对速度信号进行处理，得到壁面各个位置的变形速度，通过壁面控制变形模块将处理后的壁面变形速度传输给壁面对应节点，使得壁面整体进行变形，对湍流边界层产生干扰，达到减小摩擦阻力以及总阻力的效果，在不同速度下获得了较好的减阻效果，尤其是摩擦阻力减阻效果非常显著。
22.2、本发明采用大尺度形状函数提高了工程实用性和控制简易性，有效地满足了减小壁面摩擦阻力以及总阻力的需求，解决了微尺度结构存在加工精度要求高、易被生物附着而失效等难题，具有加工简单且不易损坏的特点，在工程实用中本发明的控制系统传感器及制动器的数量远小于微尺度结构的控制系统。
23.3、通过实验表明，本发明能够适用于较大速度范围(0.5m/s-10m/s)并在此速度范围内取得良好的减阻效果，同时，本发明不仅适用于平面，而且在潜艇等复杂曲面模型上仍
保持很好的减阻效果，具有普遍应用于现实的能力。
附图说明
24.图1是本发明的仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统方框图；
25.图2是本发明的仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制方法流程图；
26.图3是本发明的建立的流体域模型及其划分的网格结构图；
27.图4是本发明中是否使用自适应变形壁面的湍流平板切应力对比图；
28.图5是本发明中应用于无附体suboff潜艇变形前后切应力对比图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明做进一步详述。
30.本发明的设计思想是：海豚、虎鲸等齿鲸亚目类动物具有较高的游动速度，这类动物的表皮组织分布着波纹状的微小沟嵴，皮肤嵴的波宽约为0.41～2.35mm，峰谷与波峰的高度差约为7～112μm。在研究海豚皮肤时发现：海豚表皮光滑，在皮肤表面下隐藏着一些纤维结节，当海豚游动时，随着滑过海豚体表的水流剪切力的增大，海豚皮肤逐渐由光滑转变成具有一定几何形状的非光滑形态，海豚皮肤的这种自适应减阻特性对减阻也有很大的帮助，能够提高减阻效率，实现减阻目的。
31.相关研究表示，由于近壁区的湍流相干结构的影响，壁面会产生较大的摩擦阻力，因此正确改变表面结构会干扰边界层内湍流结构，从而降低物体表面摩擦阻力。在实际环境中，利用大尺度的余弦函数代替海豚表皮的微型随行波结构，能够在取得一定的减阻率的同时，满足航行器等的实际应用。
32.基于上述设计思想，本发明提出一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，如图1所示，该系统通过udf程序实现，包括速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块；
33.所述速度信号获取模块使用cfd(计算流体动力学)方法获取距壁面网格一定位置处的流场信息，再从流场信息中提取出每个网格节点的法向速度作为输入信号。
34.在本实施例中，速度信号获取模块获取的流场信息为距离壁面y+≈5处的流场信息，其中y+为壁面法向距离的无量纲化表示。
35.所述速度信号控制模块使用速度信号获取模块传送的法向速度作为输入信号，利用控制方程将输入信号转化为控制壁面各个位置的变形速度。
36.在本实施例中，速度信号控制模块使用的控制方程为：根据当前时间步的法向速度(vy)n以及壁面变形速度(v)n来控制下一时间步的壁面变形速度(v)
n+1
。该控制方程表示为：
37.(v)
n+1
＝zc(vy)n+(1-z)(v)n38.其中z与c为相关系数，z取值范围为0.05到0.015之间，c取值范围为0.55到1.45之间。
39.所述壁面控制变形模块使用节点变形宏函数，根据速度信号控制模块传送的壁面变形速度，基于大尺度变形的形状函数，对壁面进行变形控制，进而干扰湍流边界层达到湍流减阻效果。
40.在本实施例中，壁面控制变形模块使用的大尺度变形的形状函数与海豚皮肤嵴形状较为相似。该大尺度变形的形状函数的方程为：
[0041][0042]
其中，h为壁面变形的约束幅值，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。
[0043]
基于上述仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，本发明还提出一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0044]
步骤1、根据海豚皮肤嵴结构构建大尺度变形的形状函数，建立流体域模型并划分网格。
[0045]
在本步骤中，建立的流体域模型如图3所示，其中流体域模型前后壁面分别代表速度入口与压力出口，下壁面中间部分分为20个变形控制区域(网格)。
[0046]
步骤2、利用cfd方法，使用sst k-ω湍流模型对流体域模型进行稳态计算至收敛。
[0047]
步骤3、利用cfd方法，导入速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块，利用动网格技术对流体域模型进行瞬态计算。
[0048]
步骤4、速度信号获取模块利用adjust宏命令中的速度信号获取函数，获取瞬态流场信息，并提取出壁面边界层内y+≈5处的壁面法向速度vy。
[0049]
步骤5、速度信号控制模块将提取出的一个变形形状周期内的壁面法向速度vy进行平均处理得到一个变形形状周期周期内的平均壁面法向速度v
y1
，根据控制方程将平均壁面法向速度v
y1
转化为控制壁面运动的壁面变形速度vn。
[0050]
步骤6、壁面控制变形模块将步骤5得到的壁面变形速度vn与时间步长相乘得到瞬态时间步内的壁面变形量hh，并作为控制形状函数的幅值，使得单个时间步内壁面变形量为：
[0051][0052]
重复执行步骤4至步骤6，当壁面变形量达到约束幅值后，则不再进行改变。
[0053]
步骤7、在变形过程中，利用监控设置观察壁面摩擦阻力以及总阻力变化情况，得到壁面变形时最优减阻率。
[0054]
为了验证本发明的效果，进行了如下对比试验，试验结果如下：
[0055]
图4显示出控制前后仿生变形壁面湍流平板切应力对比图(切应力可代表摩擦阻力)，其中图上下分别为变形前后的壁面切应力，可以看到不同区域的切应力以周期条带的形式表现，壁面摩擦阻力可以通过表面切应力代表，看出仿生变形后(本发明方法)的壁面的整体切应力明显小于光滑表面，仿生变形壁面的运动能够有效的降低摩擦阻力。
[0056]
图5显示出潜艇模型变形前后表面切应力云图(切应力可代表摩擦阻力)，经仿生变形控制后(本发明方法)潜艇模型的变形区域表面切应力以周期条带的形式表示，与仿生控制变形后平板模型的切应力云图特征一致，证明了该自适应变形系统的减阻能力能够应用于复杂曲面；与光滑表面无附体suboff模型相比，仿生控制变形后的模型变形区域的切应力显著降低，使得潜艇表面整体的摩擦阻力得到降低。
[0057]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：包括速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块；所述速度信号获取模块：获取距壁面网格一定位置处的流场信息，并从流场信息中提取出每个网格节点的法向速度作为输入信号；所述速度信号控制模块：使用控制方程将输入信号转化为控制壁面各个位置的壁面变形速度；所述壁面控制变形模块：根据壁面变形速度，基于大尺度变形的形状函数，对壁面进行变形控制，进而干扰湍流边界层达到湍流减阻效果。2.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号获取模块使用cfd方法获取流场信息。3.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号获取模块获取的流场信息为距离壁面y+≈5处的流场信息，其中y+为壁面法向距离的无量纲化表示。4.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述速度信号控制模块使用的控制方程为：根据当前时间步的法向速度(v
y
)
n
以及壁面变形速度(v)
n
来控制下一时间步的壁面变形速度(v)
n+1
，该控制方程表示为：(v)
n+1
＝zc(v
y
)
n
+(1-z)(v)
n
其中z与c为相关系数，z取值范围为0.05到0.015之间，c取值范围为0.55到1.45之间。5.根据权利要求1所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统，其特征在于：所述大尺度变形的形状函数f(x)表示如下：其中，h为壁面变形的约束幅值，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。6.如权利要求1至5任一项所述一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、根据海豚皮肤嵴结构构建大尺度变形的形状函数，建立流体域模型并划分网格；步骤2、利用cfd方法对流体域模型进行稳态计算至收敛；步骤3、利用cfd方法导入速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块，利用网格技术对流体域模型进行瞬态计算；步骤4、速度信号获取模块获取瞬态流场信息，并提取出壁面边界层内y+≈5处的壁面法向速度v
y
；步骤5、速度信号控制模块将提取出的一个变形形状周期内的壁面法向速度v
y
进行平均处理得到一个变形形状周期周期内的平均壁面法向速度v
y1
，根据控制方程将平均壁面法向速度v
y1
转化为控制壁面运动的壁面变形速度v
n
；步骤6、壁面控制变形模块将步骤5得到的壁面变形速度v
n
与时间步长相乘得到瞬态时间步内的壁面变形量h
h
，并将壁面变形量h
h
作为控制形状函数的幅值，计算单个时间步内壁
面变形量，当壁面变形量未达到约束幅值时，重复执行步骤4至步骤6，直至达到约束幅值；步骤7、在变形过程中，观察壁面摩擦阻力以及总阻力变化情况，从而得到壁面变形时最优减阻率。7.根据权利要求6所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：所述大尺度变形的形状函数表示如下：其中，h为壁面变形的约束幅值，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。8.根据权利要求6所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5使用的控制方程为：(v)n+1＝zc(v
y
)
n
+(1-z)(v)n其中z与c为相关系数，z取值范围为0.05到0.015之间，c取值范围为0.55到1.45之间。9.根据权利要求6所述的一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤6采用如下公式计算单个时间步内壁面变形量node_dy：其中，x为流体域流向位置，d为壁面自适应变形区域前端用于发展湍流的平板长度，ω为一个变形形状周期的长度。

技术总结
本发明涉及一种仿生自适应变形壁面湍流减阻的主动控制系统和方法，该控制系统包括：包括速度信号获取模块、速度信号控制模块以及壁面控制变形模块；速度信号获取模块：获取距壁面网格一定位置处的流场信息，并从流场信息中提取出每个网格节点的法向速度作为输入信号；速度信号控制模块：使用控制方程将输入信号转化为控制壁面各个位置的壁面变形速度；壁面控制变形模块：根据壁面变形速度，基于大尺度变形的形状函数，对壁面进行变形控制，进而干扰湍流边界层达到湍流减阻效果。本发明设计合理，在不同速度下获得了较好的减阻效果，并且利用大尺度形状函数提高了工程实用性和控制简易性，且有效地满足了减小壁面摩擦阻力以及总阻力的需求。及总阻力的需求。及总阻力的需求。


技术研发人员：唐俊 李佳勇
受保护的技术使用者：苏州静声泰科技有限公司
技术研发日：2022.12.15
技术公布日：2023/7/13