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合成射流/合成双射流机理及其在射流矢量控制和微泵中的应用研究

作　者: 罗振兵
导　师: 夏智勋
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 流动控制合成射流合成双射流激励器射流矢量控制微泵压电振子粒子图像测速实验数值模拟
分类号: TP60
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

未来高技术战争对航空航天技术创新发展的需求促进了流动控制技术的发展。流动控制是航空航天研究的热点,也是流体力学研究的前沿。合成射流技术由于其优越的性能,在流动控制和流体传输领域具有广阔的应用前景,且极可能成为主动流动控制领域的重大突破性技术。合成射流激励器作为合成射流技术发展的核心,目前还缺乏全面系统的基础研究,设计高性能和多功能的新型合成射流激励器是合成射流技术实现高效流动控制并开辟新应用方向的关键。本文对合成射流激励器及其在射流矢量控制和微泵中的应用进行了系统研究,发明了合成双射流激励器并对其机理及应用开展了研究。主要研究内容和结论如下:以实验为主和采用集中参数模型分析方法对压电式合成射流激励器开展了全面系统研究。⑴通过集中参数模型分析,获得了激励器及压电振子在不同边界条件下的集中参数,通过“电-力-声”类比,建立了类比等效线路和传递函数,分析了压电式合成射流激励器频率特性和合成射流延迟相位角频响特性。⑵通过压电振子工作特性研究,获得了压电振子阻抗频率特性、振动位移时间特性、响应时间特性及压电振子延迟相位角。基于压电振子工作特性建立了合成射流激励器全流场计算模型。⑶采用热线风速仪对合成射流激励器出口速度进行了实验测量,结果表明:压电振子的边界条件对合成射流影响很大,压电振子在夹支状态下的合成射流速度比简支状态下几乎下降了一个数量级;压电式合成射流激励器合成射流的启动响应非常迅速,出口合成射流达到周期性稳定所需时间很短。⑷通过PIV实验对合成射流流场进行了流动显示测量,实验时采用移相分频技术实现任意频率任意相位点的测量,处理数据时采用相位补偿技术对实验结果进行相位定位。合成射流一个周期的工作过程可根据激励器出口下游旋涡对、合成射流流向速度及鞍点位置的变化规律分成四个阶段。⑸对合成射流流场进行了数值模拟并与实验结果进行了对比,验证了激励器计算模型及数值方法的有效性。对相邻激励器合成射流的相互作用进行了PIV实验和机理研究。控制相邻激励器相位差或驱动电压幅值比,可以实现相邻激励器合成射流方向偏转。提出了相邻激励器合成射流旋涡对引导冲击致偏机制,对相邻激励器合成射流方向偏转现象进行了解释。发明了一种新型合成射流激励器——合成双射流激励器。合成双射流激励器的新颖之处在于两个腔体共享一个振动膜且滑块对激励器两出口射流具有调节功能。两腔体共享一个振动膜有效避免了受控流场和环境流场间压差引起的振动膜压载失效问题,且充分利用了振动膜双向振动能量,提高了能量效率,两腔体共用一个振动膜的对称结构使合成双射流激励器易于集成化;利用滑块控制两出口面积比,可以有效控制合成双射流的动量比,使合成双射流本身具有独特的矢量功能。合成双射流激励器工作时,在其出口下游近区,合成双射流之间会发生“自给”现象,根据“自给”准则并采用挡板可有效控制“自给”现象;在下游较远区域,合成双射流相互融合,与常规合成射流相比,其流动速度明显提高,非定常特征明显减弱,流动特征频率是驱动频率的两倍。合成双射流激励器优越的性能和独有的功能,使其具有提高控制效率并拓展合成射流应用方向的潜力。对合成射流激励器应用于主流矢量控制进行了系统深入研究。提出了开展合成射流激励器主流矢量控制研究的“搭桥”策略。设计了进行主流矢量控制的合成射流激励器斜台出口模式。对激励器不同出口模式下进行主流矢量控制进行了数值研究,结果显示相同主流和激励器工作条件下,斜台出口模式激励器致偏主流效果最佳。分析并归纳了合成射流激励器主流矢量控制的物理过程和控制机理,合成射流控制主流矢量的发展过程可按主流经过的三个区域相应分为三个不同阶段,合成射流激励器工作引起的压强梯度、激励器工作于“吸”程对主流的卷吸作用和工作于“吹”程合成射流动量冲量对主流的引射作用(有可能出现阻挡作用),以及合成射流在向下游迁移过程中与主流自由剪切层之间相互耦合作用是合成射流激励器进行主流矢量控制的主要机制。分析了合成射流激励器主流矢量控制的物理因素,低压区范围及其压强梯度、合成射流动量分量、合成射流对主流的卷引率是直接控制主流矢量力和矢量角的物理因素。分析确定了物理因素对应的源变量,建立了由控制能力函数和调节功能函数组成的合成射流激励器主流矢量控制初步模型,该模型能够对源变量引起的主流矢量控制效率不同作出解释,并且进一步指出了进行主流矢量控制的最佳激励器应充分利用调节功能函数。基于合成双射流激励器独特的矢量功能,开展了合成双射流激励器主流矢量控制研究,与单个合成射流激励器只能对主流实现单一的“推”或“拉”的矢量控制功能相比,采用一个合成双射流激励器就可以实现对主流“推”和“拉”的双重矢量控制功能,且控制效率高,为射流矢量控制提供了一种新模式。基于合成射流流场独特的分区特征和可控特征,设计了一种带过滤网和分流隔板的合成射流基无阀微泵,该微泵能够解决微泵流体泄漏和微泵喷嘴堵塞两大问题,同时具有泵流流量可调节功能。分析得到了该微泵的设计准则和调节该微泵的控制律。计算表明:合成射流基微泵在设计准则状态下工作效率最高,改变激励条件并按控制律调节分流隔板可有效调节微泵流量,且微泵保持在设计状态下工作。提出了往复式微泵实现连续流稳定传输的一种设计思想。发明了合成双射流激励器连续流微泵。对导流挡板不同高度下合成双射流激励器连续流微泵进行了数值模拟,结果显示:合成双射流激励器连续流微泵实现了连续稳定的泵流输运(波动率均小于1%),导流挡板对合成双射流激励器连续流微泵性能影响很大,合成双射流“自给”准则和合成射流鞍点位置特征可有效指导挡板高度的设计。合成双射流激励器连续流微泵开辟了往复式微泵连续流传输新方向。

全文目录

摘要  13-16
ABSTRACT  16-20
第一章绪论  20-40
  1.1 研究背景和意义  20-25
    1.1.1 流动控制技术和MEMS技术  20-21
    1.1.2 合成射流技术  21-25
  1.2 合成射流激励器及其应用进展综述  25-37
    1.2.1 合成射流激励器分类和发展方向  25-28
    1.2.2 合成射流技术应用进展综述  28-36
    1.2.3 小结  36-37
  1.3 本文主要研究内容  37-40
上篇机理篇  40-132
  第二章合成射流激励器基础研究  41-108
    2.1 引言  41
    2.2 压电式合成射流激励器集中参数模型及合成射流频响特性分析  41-61
      2.2.1 压电振子工作原理及振动分析  42-45
      2.2.2 合成射流激励器集中参数模型基本元件  45-53
      2.2.3 合成射流激励器“电—力—声”类比等效线路  53-55
      2.2.4 合成射流频率特性  55-60
      2.2.5 合成射流延迟相位角频响特性  60-61
    2.3 压电振子工作特性实验和压电式合成射流激励器计算模型  61-77
      2.3.1 压电振子阻抗频率特性实验研究  62-65
      2.3.2 压电振子振动位移实验研究  65-73
      2.3.3 压电式合成射流激励器计算模型  73-77
    2.4 合成射流热线实验研究  77-84
      2.4.1 实验测试系统和实验内容  77-79
      2.4.2 激励器结构参数的影响  79-82
      2.4.3 合成射流响应时间  82-84
    2.5 合成射流PIV实验研究  84-92
      2.5.1 合成射流PIV实验  85-86
      2.5.2 延迟相位角及相位补偿技术  86-88
      2.5.3 合成射流工作过程及流场特征  88-92
    2.6 相邻激励器合成射流PIV实验及致偏机制研究  92-98
      2.6.1 研究意义及现状  92-93
      2.6.2 相邻激励器合成射流实验内容和激励器参数  93
      2.6.3 相邻激励器合成射流旋涡致偏机制  93-94
      2.6.4 不同相位差  94-96
      2.6.5 不同驱动电压幅值  96-98
    2.7 合成射流数值模拟及验证  98-104
      2.7.1 数值模拟  98-101
      2.7.2 计算结果及验证  101-104
    2.8 本章小结  104-108
      2.8.1 本章主要工作和结论  104-106
      2.8.2 本章工作主要创新点  106-107
      2.8.3 下一步工作展望  107-108
  第三章新一代合成射流激励器——合成双射流激励器  108-132
    3.1 引言  108
    3.2 合成双射流激励器概述  108-110
      3.2.1 新一代合成射流激励器设计指导思想  108-109
      3.2.2 合成双射流激励器基本结构及工作原理  109
      3.2.3 工作特点及其优越性  109-110
    3.3 合成双射流激励器PIV实验研究  110-121
      3.3.1 实验内容及参数  110-111
      3.3.2 工作过程及流场特征  111-116
      3.3.3 驱动电压参数的影响  116-118
      3.3.4 挡板/凸台的影响  118-121
    3.4 合成双射流激励器数值模拟研究  121-129
      3.4.1 数值模拟及实验对比分析  121-126
      3.4.2 滑块构型的影响及滑块滑移的功能  126-129
    3.5 本章小结  129-132
      3.5.1 本章主要工作和结论  129-131
      3.5.2 本章工作主要创新点  131
      3.5.3 下一步工作展望  131-132
下篇应用篇  132-192
  第四章应用合成射流技术进行射流矢量控制  133-162
    4.1 引言  133-134
    4.2 应用合成射流激励器进行宏观主流矢量控制  134-152
      4.2.1 研究目标和研究策略  134-135
      4.2.2 主流矢量控制优化模式  135-137
      4.2.3 数值模拟  137-143
      4.2.4 物理过程和控制机理  143-148
      4.2.5 物理因素及其源变量  148-151
      4.2.6 合成射流激励器主流矢量控制数学模型  151-152
    4.3 应用合成双射流激励器进行宏观主流矢量控制  152-159
      4.3.1 物理模型和数值方法  152
      4.3.2 计算算例及其对比参数  152-154
      4.3.3 计算结果和分析  154-158
      4.3.4 独特的主流矢量控制“双”功能  158-159
    4.4 本章小结  159-162
      4.4.1 本章主要工作和结论  159-160
      4.4.2 本章工作主要创新点  160-161
      4.4.3 下一步工作展望  161-162
  第五章合成射流基微泵和合成双射流激励器连续流微泵  162-192
    5.1 引言  162-164
    5.2 合成射流基无阀微泵  164-181
      5.2.1 合成射流独特的流场分区和流场可控特征  164-169
      5.2.2 合成射流基微泵物理模型及其工作原理  169-170
      5.2.3 合成射流基微泵的设计准则  170-172
      5.2.4 合成射流基微泵性能分析  172-177
      5.2.5 合成射流基微泵的控制律  177-181
    5.3 基于合成双射流激励器的连续流微泵  181-190
      5.3.1 往复式微泵实现连续流传输的设计思想  182
      5.3.2 合成双射流激励器连续流微泵物理模型及工作原理  182-184
      5.3.3 合成双射流激励器连续流微泵数值仿真及性能分析  184-190
    5.4 本章小结  190-192
      5.4.1 本章主要工作和结论  190-191
      5.4.2 本章工作主要创新点  191
      5.4.3 下一步工作展望  191-192
第六章结束语  192-198
  6.1 结论和创新点  192-196
    6.1.1 结论  192-195
    6.1.2 创新点  195-196
  6.2 对未来研究工作的展望  196-198
致谢  198-200
参考文献  200-214
攻读博士学位期间取得的学术成果  214-217
简历  217

合成射流/合成双射流机理及其在射流矢量控制和微泵中的应用研究

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