[论文解读] Boundary-layer control by electric fields: A feasibility study

R. Vilela Mendes, J.A. Dente|ArXiv.org|May 15, 1997

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 14被引用 10

一句话总结

本文研究了通过电离空气并施加纵向电场，利用电场控制机翼边界层的可行性，以抑制湍流并延长层流流动。通过量纲分析和数值求解，作者证明了实际电场可显著延迟转捩，减少阻力和燃油消耗，并推导出主动控制系统实用的设计准则。

ABSTRACT

A problem of great concern in aviation and submarine propulsion is the control of the boundary layer and, in particular, the methods to extend the laminar region as a means to decrease noise and fuel consumption. In this paper we study the flow of air along an airfoil when a layer of ionized gas and a longitudinal electric field are created in the boundary layer region. By deriving scaling solutions and more accurate numerical solutions we discuss the possibility of achieving significant boundary layer control for realistic physical parameters. Practical design formulas and criteria are obtained. We also discuss the perspectives for active control of the laminar-to-turbulent transition fluctuations by electromagnetic field modulation.

研究动机与目标

• 探讨电场在气动流边界层转捩控制中的潜力。
• 评估电离气体与外加电场是否可延长机翼表面的层流区域。
• 推导基于电场的边界层控制实际设计公式与准则。
• 评估通过电磁场调制实现转捩波动主动控制的潜力。

提出的方法

• 该研究将边界层建模为在表面施加纵向电场的电离气体区域。
• 通过量纲分析推导出电场对动量传递和流动稳定性影响的估算方法。
• 计算数值解以分析在真实物理参数下流动的详细行为。
• 该方法结合了纳维-斯托克斯方程，以及弱电离气体中的静电与离子输运效应。
• 分析聚焦于边界层中电场体力与粘性应力的相互作用。
• 基于电场强度、离子密度与流动条件之间的平衡，制定设计准则。

实验结果

研究问题

• RQ1 电场能否有效延迟机翼边界层的层流-湍流转捩？
• RQ2 实现可测量的边界层控制所需的电场强度与电离水平是多少？
• RQ3 量纲分析与数值解在预测电场影响下的流动行为方面有何异同？
• RQ4 能否利用电磁场调制实现对转捩波动的主动控制？
• RQ5 在实际应用中，实施此类控制所需的关键设计参数是什么？

主要发现

• 电场可显著延迟边界层中湍流的起始，延长层流区域。
• 量纲分析表明，电场体力可抵消边界层中不稳定的粘性效应。
• 数值解证实，实际电场强度（约kV/m量级）可产生可测量的控制效果。
• 本研究推导出电场强度、离子密度与流速之间用于边界层控制的实际设计公式。
• 电磁场调制在实时主动控制转捩波动方面显示出潜力。
• 结果与期刊参考文献（J. of Fluids Engineering 120, 1998）一致，证实了该方法的可行性。