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

内容简介

    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。的主动流动控制技术在航空、航天、航海及工业领域具有显著提高性能的潜力，极可能成为21世纪航空航天等领域重大突破性技术。美国NASA三大研究计划，即突破飞行器技术计划（BVT）、超发动机技术计划（UEET）和21世纪飞机技术计划（TCAT），都重点强调了主动流动控制技术，并把它作为三大研究计划重要研究内容之一。近年来，一种“零质量”合成射流技术由于其优越的工作特性及其在流动控制领域广阔的应用前景而备受关注，并得到了长足发展，极可能使主动流动控制技术取得重大突破。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，高性能和多功能的新型合成射流激励器则是合成射流技术实现流动控制并开辟新应用方向的关键。
    在目前上已对常规合成射流激励器开展了广泛研究的前提下，我国要在合成射流及其应用领域占有一席之地并走在前列，要的途径就是夯实基础积极开展自主创新研究，开发新型合成射流激励器，实现现有常规合成射流激励器不能实现和完成的任务，进而开辟合成射流应用新方向。基于此目的，本书以常规合成射流激励器及其应用的全面系统研究为基础，积极开展新型合成射流激励器及新应用的研究。主要研究内容和结论如下：
    （1）对压电式合成射流激励器开展了全面系统研究。①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，建立了类比等效线路和传递函数，分析了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。压电振子边界条件不但对合成射流的频率特性有影响，而且直接控制压电振子振幅大小，从而极大程度决定了合成射流激励器的能量利用效率。合成射流延迟相位角频响特性显示：当驱动频率相对激励器腔体一孔缝系统的谐振频率较小时，激励器出口合成射流速度与压电振子振速同相；当超过系统谐振频率时，出口处合成射流速度相对于压电振子振速的延迟相位角很快接近180。。②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。③采用热线风速仪对激励器出口合成射流速度进行了测量，结果表明：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。④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演变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四个阶段。⑤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，验证了激励器全流场计算模型的有效性。
    （2）对相邻激励器合成射流的相互作用进行了PTV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。相邻激励器不同相工作时合成射流向相位超前一侧倾斜，相邻激励器不同驱动电压幅值工作时合成射流向驱动电压幅值大的激励器一侧偏斜，其工作机理符合相邻激励器旋涡致偏机制；对于相邻激励器同相同幅值工作，则符合旋涡增强机制，合成射流增强而不偏斜。另外，相邻合成射流激励器工作时能产生两列旋涡对，这为旋涡对之间相互作用机理研究提供了一种研究手段和一套结构简单、

目录

摘要
第一章 绪论
1．1 研究背景和意义
1．1．1 流动控制技术和MEMs技术
1．1．2 合成射流技术
1．2 合成射流激励器及其应用进展综述
1．2．1 合成射流激励器分类和发展方向
1．2．2 合成射流技术应用进展综述
1．2．3 小结
1．3 本书主要研究内容
上篇 机理篇
第二章 合成射流激励器基础研究
2．1 引言
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
2．2．1 压电振子工作原理及振动分析
2．2．2 合成射流激励器集中参数模型基本元件
2．2．3 合成射流激励器“电-力-声”类比等效线路
2．2．4 合成射流频率特性
2．2．5 合成射流延迟相位角频响特性
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
2．3．1 压电振子阻抗频率特性实验研究
2．3．2 压电振子振动位移实验研究
2．3．3 压电式合成射流激励器计算模型
2．4 合成射流热线实验研究
2．4．1 实验测试系统和实验内容
2．4．2 激励器结构参数的影响
2．4．3 合成射流响应时间
2．5 合成射流：PIV实验研究
2．5．1 合成射流PIV实验
2．5．2 延迟相位角及相位补偿技术
2．5．3 合成射流工作过程及流场特征
2．6 相邻激励器合成射流PIV实验及致偏机制研究
2．6．1 研究意义及现状
2．6．2 相邻激励器合成射流实验内容和激励器参数
2．6．3 相邻激励器合成射流旋涡致偏机制
2．6．4 不同相位差
2．6．5 不同驱动电压幅值
2．7 合成射流数值模拟及验证
2．7．1 数值模拟
2．7．2 计算结果及验证
2．8 本章小结
2．8．1 本章主要工作和结论
2．8．2 本章工作主要创新点
2．8．3 下一步工作展望
第三章 新一代合成射流激励器——合成双射流激励器
3．1 引言
3．2 合成双射流激励器概述
3．2．1 新一代合成射流激励器设计指导思想
3．2．2 合成双射流激励器基本结构及工作原理
3．2．3 工作特点及其优越性
3．3 合成双射流激励器PⅣ实验研究
3．3．1 实验内容及参数
3．3．2 工作过程及流场特征
3．3．3 驱动电压参数的影响
3．3．4 挡板，凸台的影响
3．4 合成双射流激励器数值模拟研究
3．4．1 数值模拟及实验对比分析
3．4．2 滑块构型的影响及滑块滑移的功能
3．5 本章小结
3．5．1 本章主要工作和结论
3．5．2 本章工作主要创新点
3．5．3 下一步工作展望
下篇 应用篇
第四章 应用合成射流技术进行射流矢量控制
4．1 引言
4．2 应用合成射流激励器进行宏观主流矢量控制
4．2．1 研究目标和研究策略
4．2．2 主流矢量控制优化模式
4．2．3 数值模拟
4．2．4 物理过程和控制机理
4．2．5 物理因素及其源变量
4．2．6合成射流激励器主流矢量控制数学模型
4．3 应用合成双射流激励器进行宏观主流矢量控制
4．3．1 物理模型和数值方法
4．3．2 计算算例及其对比参数
4．3．3 计算结果和分析
4．3．4 的主流矢量控制“双”功能
4．4 本章小结
4．4．1 本章主要工作和结论
4．4．2 本章工作主要创新点
4．4．3 

摘要与插图

    第一章 绪论
    研究背景和意义
    流动控制技术和MEMS技术
    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。流动控制技术是航空航天领域研究的热点，也是流体力学研究的前沿。的主动流动控制技术在航空航天、航海及工业领域具有广阔的应用前景，而且具有显著提高性能的潜力，将极可能成为21世纪航空航天和空气动力学的重大突破性技术。
    在射流矢量控制方面，射流矢量控制在航空航天及工业领域应用广泛，如控制各种燃烧器内同向燃气／空气射流偏转，可以缩短其核心区长度，提高燃烧器燃烧效率。控制射流矢量偏转来实现推力矢量控制，是飞行器多年来一直在研的关键技术，以发动机为例，推力矢量发动机可以大幅度提高飞行器的性能、机动性以及隐身性；尽管目前机械式推力矢量技术和二次流推力矢量技术，取得了明显的矢量偏转效果，但却增加了结构重量和系统复杂性。因此，寻找和探索的主动流动控制技术来实现发动机推力矢量控制，意义重大。
    在流动分离及气动力控制方面，流动分离在人类生活环境中几乎随处可见，在大气层内飞行的飞行器、在陆地上运行的交通工具、在水下航行的水下潜艇，在涡轮机和扩散器上，甚至人体血管内血液的流动等都存在流动分离问题。流动分离现象对人类生活有好有坏，对流动分离进行控制，延迟或促使流动分离发生，使其有利于人类生产生活，意义深远。 
    ……