[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过系统辨识的传递函数，在强迫湍流射流中实现了实时、闭环的波束抵消控制，以抑制轴对称波包。该方法在较长的流向区域实现了速度脉动的量级减少，验证了波束抵消作为高雷诺数流动中喷气噪声控制的可行策略。

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.

研究动机与目标

• 开发并验证一种用于抑制湍流射流中相干扰动的闭环控制策略。
• 将基于系统辨识传递函数的波束抵消控制方法应用于强迫湍流射流。
• 评估控制目标下游速度脉动的衰减性能及其空间范围。
• 评估将该方法扩展至无强迫、自然发生的湍流射流的可行性。

提出的方法

• 采用雷诺数 Re = 5×10⁴、马赫数 Ma = 0.05 的强迫湍流射流，通过喷嘴唇缘的合成射流引入轴对称扰动。
• 近场六只麦克风组成的传感器阵列用于测量轴对称压力脉动，提供实时反馈。
• 通过系统辨识方法推导控制律，建立作动与传感器响应之间的传递函数模型。
• 作动器——位于下游1.5D处的六只合成射流扬声器——基于辨识模型生成反向扰动。
• 控制目标位置定义在流向1.5D处，通过中心线上热丝风速仪测量速度脉动。
• 波束抵消策略利用实时反馈生成对消干涉，针对目标轴对称波包进行抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 波束抵消控制能否在湍流射流的闭环配置中有效实现？
• RQ2 该控制在流向方向上对速度脉动的抑制程度如何？
• RQ3 控制性能如何依赖于传感器、作动器与控制目标之间的相干性？
• RQ4 基于系统辨识的传递函数能否在高雷诺数湍流流动中实现有效的实时控制？
• RQ5 局部波束抵消在湍流射流中的空间限制和非预期效应是什么？

主要发现

• 在目标位置（下游1.5D处）实现了速度脉动水平的量级减少。
• 波包振幅在较长的流向区域内显著衰减，不仅限于控制位置。
• 由于高频成分，在 0.25 ≤ r/D ≤ 0.5 区域出现局部脉动放大，但随下游传播能量逐渐消散，该效应减弱。
• 控制性能与传感器与目标之间、作动器与目标之间的相干性密切相关。
• 结果证实，基于系统辨识模型的波束抵消控制在抑制湍流射流中相干结构方面是有效的。
• 本研究为未来实现无强迫湍流射流的闭环控制奠定了基础，相干性度量可指导传感器与作动器的最优布置。