Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Adaptive and model-based control theory applied to convectively unstable flows
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics, Stability, Transition and Control. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0003-0010-489X
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics, Stability, Transition and Control. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0002-8209-1449
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics, Stability, Transition and Control. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0001-7864-3071
2014 (English)In: Applied Mechanics Review, ISSN 0003-6900, E-ISSN 1088-8535, Vol. 66, no 6, 060801- p.Article, review/survey (Refereed) Published
Abstract [en]

Research on active control for the delay of laminar-turbulent transition in boundary layers has made a significant progress in the last two decades, but the employed strategies have been many and dispersed. Using one framework, we review model-based techniques, such as linear-quadratic regulators, and model-free adaptive methods, such as least-mean square filters. The former are supported by a elegant and powerful theoretical basis, whereas the latter may provide a more practical approach in the presence of complex disturbance envi- ronments, that are difficult to model. We compare the methods with a particu- lar focus on efficiency, practicability and robustness to uncertainties. Each step is exemplified on the one-dimensional linearized Kuramoto-Sivashinsky equa- tion, that shows many similarities with the initial linear stages of the transition process of the flow over a flat plate. Also, the source code for the examples are provided. 

Place, publisher, year, edition, pages
2014. Vol. 66, no 6, 060801- p.
Keyword [en]
Flow control, Control theory, Optimal control, Adaptive control, Boundary-layer flow, Fluid dynamics
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-154050DOI: 10.1115/1.4027483ISI: 000346238700001Scopus ID: 2-s2.0-84902832513OAI: oai:DiVA.org:kth-154050DiVA: diva2:754897
Funder
Swedish Research Council, 2012- 4246
Note

QC 20141015

MATLAB scrips available at www.mech.kth.se/~nicolo/ks

Available from: 2014-10-13 Created: 2014-10-13 Last updated: 2017-12-05Bibliographically approved
In thesis
1. Adaptive and model-based control in laminar boundary-layer flows
Open this publication in new window or tab >>Adaptive and model-based control in laminar boundary-layer flows
2014 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In boundary-layer flows it is possible to reduce the friction drag by breaking the path from laminar to turbulent state. In low turbulence environments, the laminar-to-turbulent transition is dominated by local flow instabilities – Tollmien-Schlichting (TS) waves – that exponentially grows while being con- vected by the flow and, eventually, lead to transition. Hence, by attenuating these disturbances via localised forcing in the flow it is possible to delay farther downstream the onset of turbulence and reduce the friction drag.

Reactive control techniques are widely investigated to this end. The aim of this work is to compare model-based and adaptive control techniques and show how the adaptivity is crucial to control TS-waves in real applications. The control design consists in (i) choosing sensors and actuators and (ii) designing the system responsible to process on-line the measurement signals in order to compute an appropriate forcing by the actuators. This system, called compen- sator, can be static or adaptive, depending on the possibility of self-adjusting its response to unmodelled flow dynamics. A Linear Quadratic Gaussian (LQG) regulator is chosen as representative of static controllers. Direct numerical simulations of the flow are performed to provide a model for the compensator design and test its performance. An adaptive Filtered-X Least-Mean-Squares (FXLMS) compensator is also designed for the same flow case and its per- formance is compared to the model-based compensator via simulations and experiments. Although the LQG regulator behaves better at design conditions, it lacks robustness to small flow variations. On the other hand, the FXLMS compensator proved to be able to adapt its response to overcome the varied conditions and perform an adequate control action.

It is thus found that an adaptive control technique is more suitable to delay the laminar-to-turbulent transition in situations where an accurate model of the flow is not available. 

Abstract [sv]

I det tunna gränsskikt som uppstår en yta, kan friktionen minskas genom att förhindra omslag från ett laminärt till ett turbulent flöde. När turbulensnivån är låg  i omgivningen, domineras till en början omslaget av lokala instabiliteter (Tollmien-Schlichting (TS) v ågor) som växer i en exponentiell takt samtidigt som de propagerar nedströms. Därför, kan man förskjuta omslaget genom att dämpa TS vågors tillväxt i ett gränsskikt och därmed minska friktionen.Med detta mål i sikte, tillämpas och jämförs två reglertekniska metoder, nämligen en adaptiv signalbaserad metod och en statiskt modellbaserad metod. Vi visar att adaptivitet är av avgörande betydelse för att kunna dämpa TS vågor i en verklig miljö. Den reglertekniska konstruktionen består av val av givare och aktuatorer samt att bestämma det system som behandlar mätsignaler (on- line) för beräkning av en lämplig signal till aktuatorer. Detta system, som kallas för en kompensator, kan vara antingen statisk eller adaptiv, beroende på om det har möjlighet till att anpassa sig till omgivningen. En så kallad linjär regulator (LQG), som representerar den statiska kompensator, har tagits fram med hjälp av numeriska simuleringar of strömningsfältet. Denna kompensator jämförs med en adaptiv regulator som kallas för Filtered-X Least-Mean-Squares (FXLMS) både experimentellt och numeriskt. Det visar sig att LQG regulatorn har en bättre prestanda än FXLMS för de parametrar som den var framtagen för, men brister i robusthet. FXLMS å andra sidan, anpassar sig till icke- modellerade störningar och variationer, och kan därmed hålla en god och jämn prestanda.Man kan därmed dra slutsaten att adaptiva regulatorer är mer lämpliga för att förhala omslaget fr ån laminär till turbulent strömning i situationer då en exakt modell av fysiken saknas.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2014. viii, 25 p.
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 24:21
Keyword
Flow control, Control theory, Optimal control, Adaptive control, Boundary-layer flow, Fluid dynamics, Plasma actuator, Surface hot-wire, Transition delay
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-154052 (URN)978-91-7595-288-8 (ISBN)
Presentation
2014-10-27, D3, Lindstedtsvägen 5, KTH, Stockholm, 10:30 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, VR2012-4246
Note

QC 20141020

Available from: 2014-10-20 Created: 2014-10-13 Last updated: 2015-10-29Bibliographically approved
2. Transition delay in boundary-layer flows via reactive control
Open this publication in new window or tab >>Transition delay in boundary-layer flows via reactive control
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Fördröjning av laminärt-turbulent omslag i gränsskiktströmning genom reaktiv kontroll
Abstract [en]

Transition delay in boundary-layer flows is achieved via reactive control of flow instabilities, i.e. Tollmien-Schlichting (TS) waves. Adaptive and model-based control techniques are investigated by means of direct numerical simulations (DNS) and experiments. The action of actuators localised in the wall region is prescribed based on localised measurement of the disturbance field; in particular, plasma actuators and surface hot-wire sensors are considered.

Performances and limitations of this control approach are evaluated both for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) disturbance scenarios. The focus is on the robustness properties of the investigated control techniques; it is highlighted that static model-based control, such as the linear-quadratic- Gaussian (LQG) regulator, is very sensitive to model-inaccuracies. The reason for this behaviour is found in the feed-forward nature of the adopted sensor/actuator scheme; hence, a second, downstream sensor is introduced and actively used to recover robustness via an adaptive filtered-x least-mean-squares (fxLMS) algorithm.

Furthermore, the model of the flow required by the control algorithm is reduced to a time delay. This technique, called delayed-x least-mean-squares (dxLMS) algorithm, allows taking a step towards a self-tuning controller; by introducing a third sensor it is possible to compute on-line the suitable time-delay model with no previous knowledge of the controlled system. This self-tuning approach is successfully tested by in-flight experiments on a motor-glider.

Lastly, the transition delay capabilities of the investigated control con- figuration are confirmed in a complex disturbance environment. The flow is perturbed with random localised disturbances inside the boundary layer and the laminar-to-turbulence transition is delayed via a multi-input-multi-output (MIMO) version of the fxLMS algorithm. A positive theoretical net-energy- saving is observed for disturbance amplitudes up to 2% of the free-stream velocity at the actuation location, reaching values around 1000 times the input power for the lower disturbance amplitudes that have been investigated. 

Abstract [sv]

I den här avhandlingen har reglertekniska metoder tillämpats för att försena omslaget från ett laminärt till ett turbulent gränsskikt genom att dämpa tillväxten av små instabiliteter, så kallade Tollmien-Schlichting vågor. Adaptiva och modellbaserade metoder för reglering av strömning har undersökts med hjälp av numeriska beräkningar av Navier-Stokes ekvationer, vindtunnelexperiment och även genom direkt tillämpning på flygplan. Plasmaaktuatorer och varmtrådsgivare vidhäftade på ytan av plattan eller vingen har använts i experimenten och modellerats i beräkningarna.

Prestanda och begränsningar av den valda kontrollstrategin har utvärderats för både tvådimensionella och tredimensionella gränsskiktsinstabiliteter. Fokus har varit på metodernas robusthet, där vi visar att statiska metoder som linjär-kvadratiska regulatorer (LQG) är mycket känsliga för avvikelser från den nominella modellen. Detta beror främst på att regulatorer agerar i förkompenseringsläge (”feed-foward”) på grund av strömningens karaktär och placeringen av givare och aktuatorer. För att minska känsligheten mot avvikelser och därmed öka robustheten har en givare införts nedströms och en adaptiv fXLMS algoritm (filtered-x least-mean-squares) har tillämpats.                 

Vidare har modelleringen av fXLMS-algoritmen förenklats genom att ersätta överföringsfunktionen mellan aktuatorer och givare med en lämplig tidsfördröjning.  Denna  metod som kallas för dxLMS (delayed-x least-mean-squares) kräver att ytterligare en givare införs långt uppströms för att kunna uppskatta hastigheten på de propagerande instabilitetsvågorna. Denna teknik har tillämpats framgångsrikt för reglering av gränsskiktet på vingen av ett segelflygplan.

Slutligen har de reglertekniska metoderna testas för komplexa slumpmässiga tredimensionella störningar som genererats uppströms lokalt i gränsskiktet. Vi visar att en signifikant försening av laminärt-turbulentomslag äger rum med hjälp av en fXLMS algoritm. En analys av energibudgeten visar att för ideala aktuatorer och givare kan den sparade energiåtgången på grund av minskad väggfriktion vara upp till 1000 gånger större än den energi som använts för reglering.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 200 p.
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2016:10
Keyword
flow control, drag reduction, net energy saving, adaptive control, model-based control, optimal control, flat-plate boundary layer, laminar-to- turbulent transition, plasma actuator, direct numerical simulation, in-flight experiments, strömningsstyrning, friktionsreduktion, netto energibesparing, adaptiv styrning, modellbaserad styrning, optimal kontroll, gränsskikt öve en plan platta, laminärt till turbulent omslag, plasma aktuator, DNS, flyg prov
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-187173 (URN)978-91-7729-030-8 (ISBN)
Public defence
2016-06-13, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:30 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, 2012- 4246
Available from: 2016-05-17 Created: 2016-05-17 Last updated: 2016-05-17Bibliographically approved

Open Access in DiVA

AMR2014_Fabbiane-et-al(320 kB)100 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 320 kBChecksum SHA-512
85b4b0edb48ac25468b4452675f2a2f032b033a4dd0f4433e1b436869c357ecef7838101ac035312f9ac0da00c014c871da2066ca0fbdce3e8a5a45aa8f8ceb8
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Bagheri, ShervinHenningson, Dan S.

Search in DiVA

By author/editor
Fabbiane, NicolòBagheri, ShervinHenningson, Dan S.
By organisation
Stability, Transition and ControlLinné Flow Center, FLOW
In the same journal
Applied Mechanics Review
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 100 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 239 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf