[論文レビュー] Closed-loop control of forced turbulent jets

Igor A. Maia, Peter Jordan+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2020

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、システム同定された伝達関数を用いて、強制された乱流ジェットにおけるリアルタイムでクローズド・ループ波面キャンセレーション制御を実証し、軸対称的波パッケージを抑制した。この手法により、ストリームワイズ方向に広がる領域で速度フラクチュエーションが1桁低減され、高レイノルズ数流れにおけるジェットノイズ低減としての波面キャンセレーションの有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

Closed-loop control of turbulent flows is a challenging problem with important practical and fundamental implications. We perform closed-loop control of forced, turbulent jets based on a wave-cancellation strategy. The study is motivated by the success of recent studies in applying wave cancellation to control instability waves in transitional boundary layers and free-shear flows. Using a control law obtained through a system-identification technique, we successfully implement wave-cancellation-based, closed-loop control, achieving order-of-magnitude attenuations of velocity fluctuations. Control is shown to reduce fluctuation levels over an extensive streamwise range.

研究の動機と目的

• 乱流ジェット内のコherentな摂動を抑制するためのクローズド・ループ制御戦略の開発および検証を行う。
• システム同定された伝達関数に基づく波面キャンセレーション制御を、強制された乱流ジェットに適用する。
• 制御目的位置の下流における速度フラクチュエーションの減衰性能と空間的範囲を評価する。
• このアプローチを、強制されない自然に発生する乱流ジェットに拡張可能かどうかを評価する。

提案手法

• Re = 5×10⁴、Ma = 0.05 の強制された乱流ジェットを用い、ノーズリップに合成ジェットを用いて軸対称的摂動を導入した。
• 近接領域に配置された6つのマイクロホンからなるセンサが、軸対称的圧力フラクチュエーションを測定し、リアルタイムフィードバックを提供した。
• 制御則は、制御入力とセンサ応答の間の伝達関数をモデル化するためにシステム同定を用いて導出された。
• アクチュエータとして、1.5D下流に配置された6つの合成ジェットスピーカが、同定されたモデルに基づいて逆方向の摂動を生成した。
• 制御目的は1.5Dのストリームワイズ位置に定義され、ジェット中心線におけるホットワイヤー・アネモメーターを用いて速度フラクチュエーションが測定された。
• 波面キャンセレーション戦略は、リアルタイムフィードバックを用いて、標的の軸対称的波パッケージに対して破壊的干渉を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波面キャンセレーション制御は、乱流ジェットにおいてクローズド・ループ構成で効果的に実装可能か？
• RQ2 制御はストリームワイズ方向にわたって速度フラクチュエーションをどの程度低減するか？
• RQ3 センサ、アクチュエータ、および制御目的との間のコherー二ンスが、性能にどのように影響するか？
• RQ4 システム同定された伝達関数は、高レイノルズ数乱流流れにおける効果的なリアルタイム制御を可能にするか？
• RQ5 局所的波面キャンセレーションの空間的制限および意図しない影響は何か？

主な発見

• 制御目的位置（1.5D下流）において、速度フラクチュエーションレベルが1桁低減された。
• 制御位置に限定されない、広がったストリームワイズ領域にわたり、波パッケージの振幅が顕著に減衰した。
• 高周波数成分のため、0.25 ≤ r/D ≤ 0.5 の領域で局所的なフラクチュエーション増幅が観測されたが、エネルギーが伝搬するに従い下流でその影響は減少した。
• 制御性能は、センサと目的との間、およびアクチュエータと目的との間のコherー二ンスと強く相関していた。
• システム同定モデルに基づく波面キャンセレーション制御が、乱流ジェット内のコherent構造の抑制に有効であることが確認された。
• 本研究は、将来的な非強制乱流ジェットのクローズド・ループ制御の基盤を提供し、コherー二ンス指標が最適なセンサおよびアクチュエータ配置を導く手がかりとなる。