《Control of Fluid Flow》

请叫我雷锋

《Control of Fluid Flow》
流体流动控制
编者：
Petros Koumoutsakos
Igor Mezic
出版社：Springer
出版时间：2006年

《Control of Fluid Flow》

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《Control of Fluid Flow》

《Control of Fluid Flow》

目录
Control of Weak and Strong Reverse-Flow Regions
in Incompressible Turbulent Boundary Layers
Hans-Hermann Fernholz and Frank Urzynicok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Weak Reverse-Flow Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 Manipulation of Separation on an Airfoil Under Post-Stall
Conditions at High and Low Frequency Excitation . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Separation Control Using Fluidic Forcing
at High Frequencies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Separation Control Using Fluidic Forcing
at Low Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 Separation Control Using Mechanical Forcing
at Low Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Manipulation of Trailing Edge Separation on an HQ-17
Laminar Airfoil by Means of Two-Dimensional ZNMF-Actuators 15
2.2.1 Single slot configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Double Slot Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Manipulation of Closed Reverse-Flow Regions by Free-Stream
Turbulence (FST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Strong Reverse-Flow Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Manipulation of the Closed Reverse-Flow Region
Downstream of a Fence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Manipulation of Strong Reverse Flow
Caused by a Trapped Vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Aerodynamic Flow Control Using Synthetic Jet Actuators
Michael Amitay and Ari Glezer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Experimental Apparatus and Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
X Contents
3 Modification of the Time-Averaged Aerodynamic Performance . . . . . . 50
4 The Role of the Actuation Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Elements of the Dynamics of Flow Reattachment
and Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Pulse-Modulated Reattachment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Control of Mixing and Reactive Flow Processes
A.R. Karagozian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2 Passive Control Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3 Passive Control Example: The Lobed Fuel Injector . . . . . . . . . . . . . . . 76
4 Active Control Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 Active Control Example: The Acoustically Resonant Dump
Combustor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6 Future Directions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Nonlinear Modeling and Control of Combustion Dynamics
Anuradha M. Annaswamy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2 Dynamic Models of Combustion Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.1 Linear Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.2 Nonlinear Models of Combustion Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3 Linear Models Using a System Identification Approach . . . . . . . 105
3 Control of Combustion Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1 Linear Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.1.1 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2 Time-delay Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.2.1 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3 Adaptive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.1 Model-based Self-tuning Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.2 Adaptive Time-delay Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.3 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3.4 Extremum-seeking Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.3.5 Observer-based Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.4 Neural Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Control of Acoustics
Stephen Elliott . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2 Control of Plane Waves in Ducts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3 Controller Design and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Contents XI
4 Control of Higher-order Modes in Ducts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5 Control of Sound in Enclosures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6 Control of Sound at Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Distributed Control and Observation
Claude Bardos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2 The Acoustic Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
2.1 The Compressed Broken Hamiltonian Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.1.1 The Hamiltonian Flow Inside Ω . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.1.2 Interaction with the Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3 Control and Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4 Observation Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1 Unstable Observations Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 Propagation Along Rays and High Frequency Estimates . . . . . . 149
5 Time Reversal Methods and Ergodicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Global Boundary Stabilization of 2D Poiseuille Flow
Andras Balogh and Miroslav Krstic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2 Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3 Boundary Feedback Laws. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4 The Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5 Proof of Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6 Numerical Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7 Simulations with Only Parts of the Wall Controlled . . . . . . . . . . . . . . . 167
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Exact Controllability and Feedback Stabilization
from a Boundary for the Navier–Stokes Equations
Andrei V. Fursikov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
2 Exact Controllability from the Boundary
of the Navier–Stokes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3 Ozeen Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1 Formulation of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.2 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4 Stabilization of the Ozeen Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.1 Theorem on Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.2 Result on Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.3 Feedback Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5 Stabilization of 2D Navier–Stokes Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
XII Contents
5.1 Formulation of the Stabilization Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2 Invariant Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.3 Final Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Vortex-based Control Algorithms
Dmitri Vainchtein and Igor Mezić . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
2 Review of the Vortex Control Research. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
2.1 Simple Vortical Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
2.2 Vortex/Solid Body Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
2.3 Control of the Wake Behind a Bluff Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
2.4 Vortex Dynamics in Shear and Mixing Layers . . . . . . . . . . . . . . . 194
2.5 Vortex Control for Improved Swimming Efficiency . . . . . . . . . . . 195
2.6 Topics Left Out of the Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3 Towards Control of Vortex Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
4 Control of a Pair of Point Vortices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.1 Averaging for a Co-Rotating Vortex Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.2 Two Vortices Controlled by a Strain Field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.3 Two Vortices in a Source/Sink Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5 Control of a Pair of Vortex Patches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.1 Flat Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.2 Adiabatic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Flow Optimization Using Stochastic Algorithms
Petros Koumoutsakos and Sibylle D. Müller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
2 Multi-Objective Optimization
in Combustion Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3 Cylinder Drag Minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4 Aerodynamic Profile Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5 Micromixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6 Microchannel Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7 Jet Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8 Aircraft Trailing Vortex Destruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

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