闭环控制下圆湍射流混合机理的实验研究

本项目通过一种新的基于并联高频电磁阀组的脉冲微射流系统，进行闭环控制下的圆湍射流混合机理的实验研究。该微射流系统不仅可同时控制多个激励参数，而且具有更快的响应速度。本项目拟开展如下三方面的研究：(1)开环实验研究，建立微射流脉冲频率、质量流率以及相位差与射流流场结构的关系；(2)设计基于多变量极值搜索算法的闭环控制模型，寻求反馈信号，确定控制策略；(3)应用相位锁定技术，测量拟序结构的时空演变特性，以期获得射流控制对涡环卷起和配对、流向涡和纵向涡的形成发展的影响机制，阐明微射流的激励频率、质量流率以及相位差等参数对射流流场物理(射流张角、速度衰减率、拟序结构形态)的影响规律，为实现复杂湍射流的有效控制提供理论基础。

本项目已经搭建完成一个基于并联高频电磁阀组的微射流控制系统，该系统可实现微射流了多参数同时控制，包括微射流质量流率、激励频率以及占空比。通过开环实验研究，获得了不同控制参数（微射流质量流量、占空比、激励频率比、雷诺数等）对射流流场混合特性的影响规律。研究发现，在微射流质量流率比一定的情况下，存在激励频率比1和占空比15%。在所研究的雷诺数范围内，速度衰减率K对微射流质量流量比有很强的依赖性。加入微射流扰动后，主射流的扩散与卷吸现象是随着雷诺数的增加而减弱的，而临界雷诺数（Re ≈ 10^4）为此变化的转折点。研究还发现，两支微射流入射角度为180°，其次是120°，60°最差。 在开环控制研究基础上，以周期性微射流的激励频率为控制信号构建了闭环控制系统，改进了极值搜索算法，实现了实时调整激励频率fe的搜索范围，使得闭环控制系统更快更精准地搜索到相应极值。将x = 5D位置的射流中轴线速度衰减率K确定为反馈及监测信号，通过仿真及实验得到了闭环控制系统各部分的参数，以达到闭环控制系统自动增强射流混合并加快主射流轴向速度衰减的目的。该方法具有很好的鲁棒性，收敛时间减少了30s，且具有很好的自适应性。 采用PIV技术和流动显示技术对射流流场结构的研究发现，发现两种控制机理：（1）在微射流质量流率较小情况下，微射流扰动作用仅发生在靠近微射流一侧，形成了非对称射流结构，从而导致射流柱振荡，有利于增强射流混合；（2）在微射流质量流率较大情况下，微射流动量足够大穿透主射流核心区，导致射流在出口附近形成蘑菇状涡结构，蘑菇状涡结构的径向生长有利于射流扩散，增加射流混合。^[1]