[논문 리뷰] Closed-loop control of forced turbulent jets

Igor A. Maia, Peter Jordan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 19.

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 시스템 식별된 전달 함수를 사용하여 강제 난류 제트에서 실시간, 피드백 제어를 통해 파동을 상쇄시키는 것을 보여주며, 축대칭 파aket를 억제한다. 이 방법은 유동 방향으로 긴 영역에 걸쳐 속도 변동성을 수배수 정도 감소시켜, 고레이놀즈수 유동에서 제트 소음 감소를 위한 파동 상쇄 전략의 타당성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 난류 제트 내의 공명하는 교란을 억제하기 위한 실시간 피드백 제어 전략을 개발하고 검증하는 것.
• 시스템 식별된 전달 함수를 기반으로 한 파동 상쇄 제어를 강제 난류 제트에 적용하는 것.
• 제어 목표 위치 후행 영역에서 속도 변동성의 감쇠 성능과 공간적 범위를 평가하는 것.
• 이 접근 방식을 강제되지 않은, 자연적으로 발생하는 난류 제트로 확장할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• Re = 5×10⁴ 및 Ma = 0.05인 강제 난류 제트를 사용하였으며, 노즐 입구에서 합성 제트를 통해 축대칭 교란을 도입하였다.
• 근접 영역에 위치한 6개 마이크로폰으로 구성된 센서들이 축대칭 압력 변동을 측정하여 실시간 피드백을 제공하였다.
• 제어 법칙은 액추에이터와 센서 반응 간의 전달 함수를 모델링하기 위해 시스템 식별을 통해 유도되었다.
• 1.5D 후행 거리에 위치한 6개의 합성 제트 스피커로 구성된 액추에이터가 식별된 모델에 기반해 반대 방향의 교란을 생성하였다.
• 제어 목표 위치는 유동 방향 1.5D에서 정의되었으며, 제트 중심선 상의 핫와이어 안나미오미터를 통해 속도 변동성이 측정되었다.
• 파동 상쇄 전략은 실시간 피드백을 통해 목표로 하는 축대칭 파aket에 대해 파괴적 간섭을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 제트에서 실시간 피드백 제어를 통해 파동 상쇄 제어를 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 제어가 유동 방향 전반에 걸쳐 속도 변동성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 센서, 액추에이터 및 제어 목표 간의 공진성은 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시스템 식별된 전달 함수를 통해 고레이놀즈수 난류 유동에서 실시간 제어를 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ5 국소적 파동 상쇄의 공간적 제한성과 부작용은 무엇인가?

주요 결과

• 제어 목표 위치(1.5D 후행)에서 속도 변동성 수준이 수배수 정도 감소하였다.
• 제어 위치에 국한되지 않고, 유동 방향으로 긴 영역에 걸쳐 파aket 진폭이 현저하게 감쇠되는 것이 관측되었다.
• 고주파 성분으로 인해 0.25 ≤ r/D ≤ 0.5 범위에서 국소적 변동성 증가가 발생했으나, 에너지가 유동에 따라 떨어지면서 후행 영역에서 이 효과는 감소하였다.
• 제어 성능은 센서와 목표 간, 액추에이터와 목표 간의 공진성과 강하게 상관되어 있었다.
• 시스템 식별된 모델 기반 파동 상쇄 제어가 난류 제트 내 공명 구조를 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다.
• 이 연구는 향후 강제되지 않은 난류 제트에 대한 실시간 피드백 제어의 기초를 제공하며, 최적의 센서 및 액추에이터 배치를 안내하는 공진성 지표가 활용될 수 있다.