一种全电控制矢量合成双射流装置及生成方法

摘要

本发明属于航空航天及传热传质领域，涉及一种全电控制矢量合成双射流装置及生成方法。该装置包括合成双射流激励器和信号控制系统，所述信号控制系统包括计算机、模/数转换卡和驱动模块；所述驱动模块连接所述合成双射流激励器；所述计算机连接所述模/数转换卡。本发明方法包括步骤：(S1)计算机产生周期性电压信号；(S2)转换为数字信号；(S3)数字信号经过驱动模块进行放大处理后输至合成双射流激励器，控制振动膜往复振动；(S4)合成双射流激励器的两个腔体中形成两股射流从出口排出。本发明不需要增加额外转动机构，就能实现射流自主控制，不仅可以改变合成双射流速度大小和频率，而且能控制合成双射流矢量方向。

权利要求

1.一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于：包括合成双射流激励器和信号控制系统，所述信号控制系统包括计算机、模/数转换卡和驱动模块；所述计算机连接所述模/数转换卡，所述计算机用于产生周期性电压信号；所述模/数转换卡连接驱动模块，所述模/数转换卡用于将计算机产生的周期电压信号转换成数字信号，并将数字信号输出至驱动模块；所述驱动模块连接所述合成双射流激励器；所述计算机产生的周期性电压信号为非对称性的模拟电压信号；

所述合成双射流激励器包括一个振动膜，第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体为各自独立腔体，第一腔体和第二腔体之间通过振动膜隔开；第一腔体和第二腔体分别开设第一出口和第二出口。

2.如权利要求1所述的一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于，所述驱动模块连接所述合成双射流激励器具体为：驱动模块连接振动膜，用于控制振动膜往复振动的速度。

3.如权利要求1所述的一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于：所述第一出口和第二出口均为倒直角形状。

4.如权利要求1所述的一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于：所述第一腔体和第二腔体之间设置一个固定板，振动膜设置在固定板上。

5.如权利要求1所述的一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于：所述振动膜两侧各设置一个“O”型圈。

6.如权利要求5所述的一种全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于：所述振动膜一侧设置一个压力调整环。

7.一种全电控制矢量合成双射流生成方法，采用如权利要求1至6中任一项所述的全电控制矢量合成双射流装置，其特征在于，包括步骤：(S1)信号控制系统中的计算机产生周期性电压信号；

(S2)周期性电压信号经过模/数转换卡进行模/数转换处理，转换为数字信号；

(S3)所述数字信号经过驱动模块进行放大处理后，输出至所述合成双射流激励器，控制合成双射流激励器中振动膜往复振动的速度；

(S4)合成双射流激励器中的振动膜反复振动过程中，合成双射流激励器的两个腔体中形成两股动量不同的射流从出口排出。

说明书

一种全电控制矢量合成双射流装置及生成方法

技术领域

[0001] 本发明属于航空航天及传热传质领域，涉及一种全电控制矢量合成双射流装置及生成方法。

背景技术

[0002] 合成射流技术是上世纪九十年代提出的一种基于旋涡运动的零质量射流技术，其具有结构紧凑、能耗低、响应快、控制灵活等优点，被认为是目前最具发展潜力的主动流动控制技术之一。针对不同的流动控制对象，合成射流技术能起到增强/减弱流动稳定性、推迟/加速转捩、抑制/促进流动分离等作用，从而实现航行器增升、减阻、降噪、消涡、减振和隐身等功能，在航空航天领域展现出了良好的应用前景。在传热传质领域，合成射流无需转动部件，不用考虑轴承润滑和耐温等问题，工作温度范围更宽，寿命更长，而且合成射流蕴含的涡结构能增强掺混和湍流度，有利于强化传热传质，也成为近些年研究的热点。常规合成射流产生装置可控因素单一，装置构型一经确定，只能改变射流的速度大小和频率，无法控制射流的矢量方向。相关研究已经表明，射流与来流的夹角对流动分离控制和射流矢量控制的控制效果影响较大。另外，在传热方面就如同风扇不摇头和空调摆叶不动，散热面积和范围很有限，散热不均，效率不高，大大限制了其应用。因此，使合成射流具备矢量调节功能对于增强其控制效果和拓展其应用范围具有重要实际应用价值。

[0003] 申请号为CN1818399A的中国专利文献公开了一种单膜双腔双口合成射流激励器，具有实现射流矢量调节的潜力。通过调流滑块滑动控制激励器两出口面积比，改变合成双射流激励器两射流的动量比，形成的低压区强度不同，使下游合成双射流矢量方向发生改变。这种合成双射流矢量控制装置控制精度高、范围广，但增加了调流滑块驱动和传动机构，使得装置结构复杂，同时增加了功耗。本发明在不改变合成双射流装置结构的基础上，仅通过控制振动膜的驱动信号就能实现合成双射流的矢量控制功能，具有无需增加机构、控制灵活、环境适应性强、可靠性高、适用范围广等优点。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，基于公开号为CN1818399A中的激励器结构进行改进，并在此基础上提供一种结构简单紧凑、控制灵活、环境适应性强、可靠性高、适用范围广的基于模拟信号控制的合成双射流矢量实现方法，具体技术方案如下。

[0005] 一种全电控制矢量合成双射流装置，包括合成双射流激励器和信号控制系统，所述信号控制系统包括计算机、模/数转换卡和驱动模块；所述计算机连接所述模/数转换卡，所述计算机用于产生周期性电压信号；所述模/数转换卡连接驱动模块，所述模/数转换卡用于将计算机产生的周期电压信号转换成数字信号，并将数字信号输出至驱动模块；所述驱动模块连接所述合成双射流激励器。

[0006] 优选地，所述合成双射流激励器包括一振动膜，第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体为各自独立腔体，第一腔体和第二腔体之间通过振动膜隔开；第一腔体和第二腔体分别开设第一出口和第二出口。

[0007] 优选地，所述驱动模块连接所述合成双射流激励器为驱动模块连接振动膜，用于控制振动膜往复振动的速度。

[0008] 优选地，所述第一出口和第二出口均为倒直角形状。直角形状的出口能诱导射流发生偏转，能增大射流矢量偏转角。

[0009] 优选地，所述第一腔体和第二腔体之间设置一个固定板，振动膜设置在固定板上。

[0010] 优选地，所述振动膜两侧各设置一个“O”型圈。所述“O”型圈用于密封第一腔体和第二腔体，保证振动膜的振幅和动密封效果。

[0011] 优选地，所述振动膜一侧设置压力调整环；所述“O”型圈通过压力调整环来调节振动膜的预紧力和固有频率。

[0012] 本发明还提供了一种全电控制矢量合成双射流生成方法，采用上述的全电控制矢量合成双射流装置，包括步骤：

[0013] (S1)信号控制系统中的计算机产生周期性电压信号；

[0014] (S2)周期性电压信号经过模/数转换卡进行模/数转换处理，转换为数字信号；

[0015] (S3)所述数字信号经过驱动模块进行放大处理后，输出至所述合成双射流激励器，控制合成双射流激励器中的振动膜往复振动；

[0016] (S4)合成双射流激励器中的振动膜往复振动过程中，合成双射流激励器的两个腔体中形成两股射流从出口排出。

[0017] 优选地，所述步骤(S1)中所述计算机产生周期性电压信号为非对称性的模拟电压信号。

[0018] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的全电控制矢量合成双射流装置，与常规合成双射流装置相比，本发明装置在不增加额外机构和功耗的前提下，不仅可以改变合成双射流速度大小和频率，而且能控制合成双射流矢量方向，具有结构简单紧凑、控制灵活、环境适应性强、可靠性高、适用范围广等优点。本发明方法能够根据需要调整合成双射流矢量角，使得合成双射流控制能力更强，从而增强合成射流技术在主动流动控制领域的应用，尤其是在传热传质领域的应用。

附图说明

[0019] 图1是本发明装置的结构示意图；

[0020] 图2为本发明中合成双射流激励器结构示意图；

[0021] 图3是驱动信号示意图；

[0022] 图4是本发明射流矢量控制特性PIV实验流场图；

[0023] 图5是同一非对称驱动信号下，射流出口不倒角、倒圆角和倒直角对应的PIV实验流场图。

[0024] 图中各标号表示：

[0025] 1、合成双射流激励器；2、计算机；3、模/数转换卡；4、驱动模块；11、振动膜；12、倒直角形状出口；13第一腔体；14、第二腔体；15、第一出口；16、第二出口；17、“O”型圈；18、压力调整环。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0027] 如图1所示为本发明全电控制矢量合成双射流装置的结构示意图，包括合成双射流激励器和信号控制系统，所述信号机控制系统包括计算机、模/数转换卡和驱动模块，所述信号控制系统中的计算机用于产生周期性电压信号；所述驱动模块连接所述合成双射流激励器；所述计算机连接所述模/数转换卡，所述模/数转换卡用于将计算机产生的周期模拟信号转换成数字信号。所述合成双射流激励器通过振动膜的振动产生合成双射流，所述振动膜通过驱动模块的输出电压进行驱动，所述驱动模块的输入信号来自模/数转换卡，所述模/数转换卡的模拟信号通过计算机产生。驱动模块包括放大器件和电源，放大器件为现有技术中的元器件。

[0028] 本发明还提供了一种全电控制矢量合成双射流生成方法，信号控制系统中的计算机产生非对称周期性模拟电压信号；电压信号经过模/数转换卡进行模/数转换处理，转换为数字信号；所述数字信号经过驱动模块进行放大处理后，然后输出至所述合成双射流激励器，驱动控制合成双射流激励器中的振动膜往复振动；通过合成双射流激励器中的振动膜往复振动，合成双射流激励器的两个腔体中形成两股射流从出口排出。

[0029] 如图2，实施例中的合成双射流激励器结构示意图；具体结构为：包括两个腔体板和一个固定板、一个出口板；所述两个腔体板、固定板和出口板通过螺栓孔连接组装在一起，共同围成了第一腔体和第二腔体；出口板上设置有两个出口，分别对应第一腔体和第二腔体。固定板上通过开设与振动膜相同大小的圆孔，用于安装振动膜；振动膜与固定板连接处设置两个“O”型圈，用于保持第一腔体和第二腔体之间的密闭性；振动膜的边界上设置一个压力调整环，可以调节振动膜的预紧力及固有频率。合成双射流激励器结构可以参考现有技术中的专利文献ZL200610031334.0所记载的内容。

[0030] 由于信号的非对称性，对应的驱动电压变化率不一致，使得振动膜往复运动的速度不同，形成的两股射流动量和出口附近的低压区强度不同，合成双射流会向射流速度小的一侧偏转，另外，由于Coanda附壁效应，两射流出口倒直角形状结构能诱导射流发生偏转，增大射流矢量偏转角。因此，通过计算机控制模拟信号的非对称性可以实现合成双射流矢量功能。

[0031] 进一步结合PIV实验(PIV：Particle Image Velocimetry，又称粒子图像测速法)对本发明进行说明。实验中采用了计算机产生的三种不同模拟信号：曲线上升的斜率逐渐减小，如图3所示，其中信号2为对称周期信号，信号1和信号3为非对称周期性信号。三种模拟信号下得到的合成射流流场PIV实验结果如图4所示，其清楚地显示了通过计算机控制模拟信号的非对称性可以实现合成双射流矢量功能。如图5所示，是同一非对称驱动信号下，射流出口不倒角、倒圆角和倒直角对应的PIV实验流场图。实验表明，不倒角时，射流向左偏转角度很小；倒圆角后，射流偏转角稍微增加，但不明显；而倒60°直角后，射流向右偏转角度明显增大，偏转范围更大，矢量特性更显著。

[0032] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。