第1章 绪论
1.1 背景和意义
飞行器、军舰、潜艇、水中兵器等在运动时，黏性流体在其表面形成的边界层会使武器减速，产生噪声、振动、失稳，甚至造成武器的变形和损坏。这些现象通常可以通过流体边界层的控制加以抑制。自1904年 Prantdl提出流体边界层概念以来，流体边界层的控制理论与技术一直是兵器学科研究*为活跃的领域之一。这主要是因为流体边界层本身在兵器科学中的重要性，以及边界层控制带来的巨大潜在军事价值。通过边界层的控制不但可以实现减阻，而且可以达到抑振、降噪和隐身的目的，因此吸引了各国研究人员。由于流体的黏性，飞行器运动时不可避免地会在阻力作用下减速、振动和产生噪声，使推进效率降低、飞行失稳。高效减阻可以提高推进效率和飞行的稳定性，减少燃料损耗。这对改进诸如飞机、导弹、普通弹箭等飞行体的性能，提高武器的质量是非常有价值的。因此，减阻增升减振技术是一切飞行装置的关键技术，可以说，凡是涉及黏性流体运动的领域，都存在减阻增升减振问题。美国已将其列为21世纪需要关注的关键技术，流动控制也因此成为兵器学科的研究热点。
近年来，随着计算流体力学和实验流体力学的飞跃发展，人们可以更深入地研究流场的精细结构，阐述流场变化的动力学机理。这些发展为流动控制在科学层面的展开，以及反馈式主动控制的研究提供了实质性的帮助，从而使主动控制，特别是微机电系统(micro electro mechanical system， MEMS)流动控制，成为当前流动控制的热点和前沿。
1.2 国内外的研究概况
圆柱体作为结构简单的钝体，其绕流的流线形状和尾流特点具有同其他钝体绕流一样的复杂性和共同特征。流动的分离脱体如图1.1所示。因此，人们对圆柱绕流问题的研究十分热衷。这方面的研究课题一直是现代科学研究的热点。圆柱绕流的特性与流场的 Re有关。一般来讲，当时，流体在圆柱表面的后驻点附近脱体，在尾部形成对称的反向旋涡。随着 Re增大，脱体点前移，旋涡变大。当时，脱体旋涡不再对称，以周期交替的方式离开圆柱，在尾部形成结构有序的卡门涡街。当时，三维不稳定性得以显现，尾流区出现摆动和不稳定。随着 Re的进一步增大，逐渐形成湍流。圆柱绕流问题中的流体边界层的分离与脱落、流体剪切层的流动和变化、尾流区域的分布和变动，以及它们之间的相互作用等因素，使其成为一项复杂和难度大的研究课题。
图1.1 流动的分离脱体
1.2.1 圆柱绕流及其控制方法的研究状况
钝体绕流的脱体现象与边界层内流体动量的缺失有关，如果通过某种方法，给边界层内的流体增加动量，便可以抑制绕流、减阻减振。圆柱绕流是一种典型的边界层分离问题。通过抑制卡门涡街来控制圆柱绕流尾迹引发了许多研究。通过改变或控制流场的状态，包括力学状态(如运动速度)和热力学状态(如温度)，可以实现某种设定的目的(如减阻)，人们称此为流动控制。早在1904年，Prandtle [1]就进行了著名的圆柱绕流的控制实验。圆柱绕流控制如图1.2所示。该实验在圆筒表面开一道狭缝，利用该狭缝吸进流体，抑制流体在圆柱表面的分离。
图1.2 圆柱绕流控制
目前文献提及的流体控制方法主要有两种，即被动控制方法和主动控制方法。被动控制方法，如加置带狭缝的板[2-7]、在尾流中添加二次圆柱[8]等，不需要向流场提供能量。近年来，人们更加侧重于向流场提供能量，并根据流场信息调整供应力度的主动控制方法的研究，包括振荡圆柱法、声波干扰、表面狭缝吹吸、热效应、流体滚珠轴承效应等[9-18]。
数值模拟与实验都表明[19-22]，在圆柱尾部插入一个直径比原有圆柱小一个数量级以上的细圆柱，可使主圆柱卡门涡街消失。同样，将一个尺寸与圆柱体直径相当的分隔平板插入尾流的绝对不稳定区域也会使卡门涡街消失[23]。另外，在绕流体的头部进行局部加热，可以获得明显的减阻效果[24]。黄为民等[25]对前驻点加热圆柱绕流场进行了可视化实验研究。汪箭等[26]采用正交曲线贴体坐标系对热圆柱绕流问题进行了数值模拟。用加热尾迹的方法控制圆柱绕流时，随着温度逐渐升高，表面温度高出水温后，流动会发生变化。前驻点流线摆动振幅、频率明显减少，前驻点位置向柱体表面靠近，甚至落在柱体表面，并发生间歇性猝发反向流，分离点位置后移至湍流分离点位置。前驻点的间歇性猝发反向流动无疑会改变流动结构，发生反向流时前驻点位于物面，但随后移向前方，驻点在中心流线作前后振荡。前驻点的前后振荡会改变前驻点处左右摇摆的频率和振幅，使流动稳定性大为提高。分离频率降低，绕流体的形阻也应相应地下降。前驻点加热增加沿物面流动流体的能量会使流体抗分离的总能增加，因此分离点推迟到湍流分离点位置。若加热量不足以产生或加强前驻点附近的回流区域，则不会产生上述现象。
在圆柱绕流中，圆柱旋转振荡[27-30]也可以有效地控制涡的脱落。在圆柱旋转振荡时，振荡频率将同涡的自然脱落频率一起对流场的演化规律产生影响。在不同的振荡频率下，这两种频率的耦合关系有很大的区别，导致流场的发展规律也有相应的不同。其旋涡形成、发展和脱落的规律比静止圆柱绕流复杂得多，一些物理机制尚未完全认识清楚，所以目前关于旋转振荡圆柱流场特性的数值和实验研究工作进行得还比较少，有必要进一步进行理论研究和数值模拟。流向、横向振荡[31，32]圆柱绕流问题与旋转振荡圆柱绕流相似，也需要进一步研究。
1.2.2 电磁力控制流动的研究状况
按一定方式排列的磁条和电极形成的电磁激励板，在电解质溶液或局部电离的气体中通电后，可以形成作用于流体的洛仑兹力场。当洛仑兹力的方向与流动方向平行时，便可增加流体动量，从而有效地控制脱体绕流。
流体边界层控制的方法大致可分为被动式控制方法与主动式控制方法两种。被动式流动控制无需向流场传输能量，而主动式流动控制则需要向流场传输能量。由于电磁场能够在导电流体中产生电磁力，这种电磁力作用于流体边界层可以改变其结构，实现对流场的控制。对导电流体边界层施加电磁力控制流场是一种主动式流动控制方法。
电磁力是一种场力。一定时空分布结构的电磁力作用于流场，通过直接耦合作用的方式向流体边界层和流场输入动量和能量，能够改变流体边界层，乃至全流场的结构。在电磁力作用于流体边界层的同时，运动状态发生变化的导电流体在电磁场中因电磁感应现象会产生感生电磁场，从而影响原来流场与电磁场的结构与分布，属于典型的多场耦合与非线性动力学问题。
尽管近年来不少研究人员结合层流边界层与湍流边界层的特点，采用闭环控制、非线性优化控制等控制方法，讨论电磁力对流体边界层的优化控制问题，但研究结果仅限于所取模型的范畴，并不具有一般性。尤其是，对于湍流边界层的研究，问题提法更是基于人们对湍流边界层结构的不同认识，研究结果有很大的差异。不管流体边界层的模型如何，还是可以针对流向电磁力、展向电磁力和法向电磁力的分布特点，采用粒子图像测速(particle image velocimetry， PIV)等先进流场诊断与测试技术都获得流场中速度分布的变化特点，进而讨论不同尺度电磁力对流体边界层控制的特点。
电磁力控制流体边界层的相关概念*初于1961年由英国学者 Gailitis提出。 Gailitis和 Lielausis设计了一种由条状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溶液中，产生的电磁力可以改变边界层的结构[33]，说明流体边界层上的电磁力对流场具有控制作用。平板上交错分布的电磁场产生的电磁力如图1.3所示。
图1.3 平板上交错分布的电磁场产生的电磁力
电磁流体控制的原理是，流场中的带电粒子在磁场中运动，产生多尺度电磁力，改变带电粒子的运动速度，实现对流场的动量、能量和涡量的控制。
由于常规铁磁永磁材料的强度较小(一般强度为百分之几特斯拉)，因此在随后的几十年中关于电磁力对弱导电流场的控制研究进展缓慢。毫无疑问，用电磁力控制流体边界层或流场结构，其力密度与控制效果紧密相关。根据控制过程的斯特劳哈尔数(电磁力与流体惯性力之比)，其中 J为电流密度， B为磁场的磁感应强度， a为特征尺度，μ为流体的动力黏度系数，ρ为流体密度。对于常规的流场条件， B的数量级应达到1特斯拉以上，才能满足条件，即电磁力与流体惯性力可以比较。正是由于20世纪80年代中后期以来，稀土永磁材料技术获得突破，人们通过磁极配型的组合，可以十分便利地研制出强度达到几个特斯拉的永磁体(如钕-铁-硼磁性材料)，给相关研究工作带来了活力。与此同时，尤其是20世纪末、21世纪初以来，人们对非线性科学的研究也取得了丰硕的研究成果，随着对湍流机理研究的进一步深入(如流体混合层、近壁剪切湍流的拟序结构、湍流标度率的认识等)，电磁力对弱导电流体的控制已经成为近年来流体力学和电磁流体力学(electromagnetic hydrodynamics，EMHD)领域的研究热点。
由于电磁力具有场力的结构传输特征，在不需要向流场传输质量的情况下，可以十分方便地向流场传输动量与能量，从而有效地改变和构造流体边界层与流场的结构。
Henoch等对平板电磁场激活板在盐水边界层中的流向电磁力进行了实验研究，并对盐水边界层中的湍流应力等进行了实验研究[34]。Crawford等对槽道中流向电磁力对湍流的影响进行了数值研究分析，发现电磁力对盐水流体边界层的湍流能产生有效的控制作用[35]。图1.4所示为平板电磁场激活板上的电磁场分布示意图。图1.5所示为平板电磁场激活板上的电磁力分布示意图。电磁力的分布沿展向周期变化，沿法向逐渐衰减，虚线部分电磁力接近于零。
图1.4 平板电磁场激活板上的电磁场分布示意图
图1.5 平板电磁场激活板上的电磁力分布示意图
1.2.3 钝体绕流电磁力控制的研究状况
Weier等将电磁场激活板包覆在圆柱两侧，圆柱表面产生电磁力(图1.6)。电磁场在电解质流场中产生的电磁力沿圆柱体侧表面分布[36]。电磁力可以有效地改变电解质流体边界层的结构，具有明显的消涡控制作用[37]。他们对由此形成的圆柱绕流进行了系列实验研究和数值模拟分析。研究结果表明，电磁力可以对流体边界层产生有效的加速作用，电磁力能够有效地控制流体边界层的分离。他们认为，电磁力具有消涡减阻控制作用，对湍流的控制作用更加明显。
图1.6 圆柱表面产生电磁力
Kim等[38，39]讨论分析了电磁场激活板对海水流场中圆柱阻力和升力变化的影响。研究结果表明，电磁力可以控制流体分离点的移动，减少流场对圆柱体的阻力作用。他们提出有效包覆范围的概念，将电磁力的包覆范围选择在自前驻点起70°~130°的范围内。采用激光带照射随流体表面运动的示踪聚合粒子，可以清楚地显示电磁消涡与增涡的流场形态。通过应力测试实验，他们研究了流体边界层的电磁力减阻与减振作用效果，测试分析了持续与振荡电磁力的减振作用。持续正向电磁力对圆柱升力的影响如图1.7所示。
图1.7 持续正向电磁力对圆柱升力的影
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