一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置

摘要

本发明提供一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，在翼型前缘低压区设置喷气口，在翼型后缘高压区设置吸气口；所述翼型腔体形成连通所述吸气口和所述喷气口的低阻气流管道；在翼型前缘靠近所述喷气口位置安装可动喷口；所述可动喷口与所述剖面翼型上盖板的前缘铰接，所述舵机通过对应的所述作动机构，带动所述可动喷口旋转，从而实现将所述可动喷口带动到关闭位置、或者带动到打开特定角度位置。本发明提出的用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，结构简单、加工方便、驱动效率高、可靠性高，能够简便、高效地实现脉冲协同射流。

权利要求

1.一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，其特征在于，剖面翼型下表面(1)和剖面翼型上盖板(2)围成翼型，剖面翼型下表面(1)和剖面翼型上盖板(2)之间形成翼型腔体；在翼型前缘低压区设置喷气口(3)，在翼型后缘高压区设置吸气口(4)；所述翼型腔体形成连通所述吸气口(4)和所述喷气口(3)的低阻气流管道；在所述低阻气流管道的内部安装梁(5)，通过所述梁(5)，将所述低阻气流管道划分为与所述吸气口(4)连通的低阻气流后管道(11)，以及与所述喷气口(3)连通的低阻气流前管道(10)；在所述梁(5)上面安装用于驱动吸气和喷气的气流驱动机构(9)；

在翼型前缘靠近所述喷气口(3)位置安装可动喷口(6)；所述可动喷口(6)与所述剖面翼型上盖板(2)的前缘铰接，在所述剖面翼型上盖板(2)的根部、中部和梢部各安装舵机(8)；每个所述舵机(8)通过一个作动机构(7)与所述可动喷口(6)的前缘连接，所述舵机(8)通过对应的所述作动机构(7)，带动所述可动喷口(6)旋转，从而实现将所述可动喷口(6)带动到关闭位置、或者带动到打开特定角度位置；各个所述作动机构(7)之间通过连杆连接，保证各个所述作动机构(7)同步运动到相同的位置；其中，所述可动喷口(6)的上表面，与所述喷气口(3)内侧下表面的接触面曲率一致，因此，当所述可动喷口(6)运动到关闭位置时，所述可动喷口(6)与所述喷气口(3)的内侧下表面处于面接触状态，保证所述喷气口(3)为严密关闭状态；

所述可动喷口(6)的长度，为1.2到1.5倍所述喷气口(3)的最大高度；其中，所述可动喷口(6)的长度，为所述可动喷口(6)前缘曲率最大点到后缘中心点的直线距离；所述喷气口(3)的最大高度，是指：喷气口(3)处于完全打开状态下时，喷气口沿翼型上表面法向的高度。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，其特征在于，所述可动喷口(6)与所述剖面翼型上盖板(2)的前缘通过合页和纤维胶带实现铰接连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，其特征在于，所述喷气口(3)距翼型前缘7.5％倍弦长，所述喷气口(3)的最大高度为0.65％倍弦长；所述吸气口(4)距翼型前缘80％倍弦长，所述吸气口(4)的最大高度为1.30％倍弦长。

4.根据权利要求1所述的一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，其特征在于，所述用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，用于实现矩形波脉冲射流，射流频率为1Hz～8.33Hz。

5.根据权利要求1所述的一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，其特征在于，所述用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置的工作过程为：步骤1，调试各个舵机(8)，保证各个所述舵机(8)的零位一致，作动规律一致，能够同步运转；

步骤2，启动气流驱动机构(9)；

步骤3，根据实时来流风速和雷诺数，确定最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比；将最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比实时传输给总控制端；

步骤4，总控制端根据最佳最大喷口质量流量和气流驱动机构(9)的性能，得到当前时刻的最佳喷气量和当前时刻的最佳吸气量，进而根据最佳喷气量和最佳吸气量确定气流驱动机构(9)的最佳工作转速；

总控制端根据最佳脉冲频率和最佳占空比，确定舵机(8)的最佳动作频率；

步骤5，总控制端对所述气流驱动机构(9)的状态进行调节控制，使所述气流驱动机构(9)按最佳工作转速运行；同时，所述总控制端对舵机(8)的状态进行调节控制，使所述舵机(8)按最佳动作频率运行；

通过对所述气流驱动机构(9)和所述舵机(8)的协同控制，实现矩形波脉冲协同射流；

具体过程为：

吸气过程为：气流驱动机构(9)按最佳工作转速持续工作，持续将气流沿翼型上表面后缘高压区的吸气口(4)吸入低阻气流后管道(11)，低阻气流后管道(11)逐渐扩张，使气流速度逐渐降低，气流经气流驱动机构(9)加压后，持续注入到低阻气流前管道(10)中；

喷气过程为：舵机(8)按最佳动作频率在两种状态之间切换运动，其中：打开状态为：舵机(8)带动可动喷口(6)打开到特定角度的位置，实现喷气口(3)打开的状态；关闭状态为：舵机(8)带动可动喷口(6)运行到完全关闭位置，实现喷气口(3)关闭的状态；

当舵机(8)驱动可动喷口(6)运行到关闭位置时，由于气流驱动机构(9)持续工作，即：持续向低阻气流前管道(10)注入气流，使低阻气流前管道(10)中的压力持续升高；然后，当到达工作周期时，舵机(8)驱动可动喷口(6)运行到打开位置，低阻气流前管道(10)中的高压气体沿翼型上表面切线方向，从处于翼型前缘低压区的喷气口(3)高速喷出，将射流能量注入到主流中，增加翼型表面环量，从而提高翼型升力；由于舵机(8)以最佳动作频率持续工作，使喷气口(3)以同样的频率处于关闭和打开状态，从而实现矩形波脉冲射流；同时，当气流由喷气口(3)喷出时，对翼型产生反作用力，此反作用力在阻力方向上的分量较大，且与阻力方向相反，因而能够极大降低翼型阻力。

说明书

一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置

技术领域

[0001] 本发明属于主动流动控制技术领域，具体涉及一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置。

背景技术

[0002] 流动控制技术是一种可能带来革命性性能突破的先进航空技术，一直是气动设计领域的重要研究方向之一。特别是近十几年以来，随着材料、电子、控制、计算机技术、微型
传感器和精密机械制造等技术的巨大进步，以及人们对非定常流动物理现象及机理认识的
不断深入，涌现了以等离子体激励器、合成射流致动器、电磁力流动控制器、压电振动式致
动器等为典型代表的主动式、微小型、智能化的新概念流动控制器件，极大推动了主动流动
控制技术作为新兴多学科交叉领域的研究和发展。流动控制研究的突破将会给飞行器设计
带来全新设计思想，使飞行器性能有极大地提升。因此，采用流动控制技术提升无人机机
翼/风力机/旋翼/螺旋桨的气动性能将会是一个很有发展潜力的途径。

[0003] 协同射流流动控制技术是一种新型主动流动控制方式，现有的协同射流方式均采用连续协同射流，即：气流从前缘喷口持续喷出。此种方式能耗较高，在较低的能量消耗下，
抑制流动分离和增升减阻效果不佳，从而降低协同射流翼型最大升力系数。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，可有效解决上述问题。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 本发明提供一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，剖面翼型下表面(1)和剖面翼型上盖板(2)围成翼型，剖面翼型下表面(1)和剖面翼型上盖板(2)之间形成
翼型腔体；在翼型前缘低压区设置喷气口(3)，在翼型后缘高压区设置吸气口(4)；所述翼型
腔体形成连通所述吸气口(4)和所述喷气口(3)的低阻气流管道；在所述低阻气流管道的内
部安装梁(5)，通过所述梁(5)，将所述低阻气流管道划分为与所述吸气口(4)连通的低阻气
流后管道(11)，以及与所述喷气口(3)连通的低阻气流前管道(10)；在所述梁(5)上面安装
用于驱动吸气和喷气的气流驱动机构(9)；

[0007] 在翼型前缘靠近所述喷气口(3)位置安装可动喷口(6)；所述可动喷口(6)与所述剖面翼型上盖板(2)的前缘铰接，在所述剖面翼型上盖板(2)的根部、中部和梢部各安装舵
机(8)；每个所述舵机(8)通过一个作动机构(7)与所述可动喷口(6)的前缘连接，所述舵机
(8)通过对应的所述作动机构(7)，带动所述可动喷口(6)旋转，从而实现将所述可动喷口
(6)带动到关闭位置、或者带动到打开特定角度位置；各个所述作动机构(7)之间通过连杆
连接，保证各个所述作动机构(7)同步运动到相同的位置；其中，所述可动喷口(6)的上表
面，与所述喷气口(3)内侧下表面的接触面曲率一致，因此，当所述可动喷口(6)运动到关闭
位置时，所述可动喷口(6)与所述喷气口(3)的内侧下表面处于面接触状态，保证所述喷气
口(3)为严密关闭状态。

[0008] 优选的，所述可动喷口(6)与所述剖面翼型上盖板(2)的前缘通过合页和纤维胶带实现铰接连接。

[0009] 优选的，所述喷气口(3)距翼型前缘7.5％倍弦长，所述喷气口(3)的最大高度为0.65％倍弦长；所述吸气口(4)距翼型前缘80％倍弦长，所述吸气口(4)的最大高度为
1.30％倍弦长。

[0010] 优选的，所述可动喷口(6)的长度，为1.2到1.5倍所述喷气口(3)的最大高度；其中，所述可动喷口(6)的长度，为所述可动喷口(6)前缘曲率最大点到后缘中心点的直线距
离；所述喷气口(3)的最大高度，是指：喷气口(3)处于完全打开状态下时，喷气口沿翼型上
表面法向的高度。

[0011] 优选的，所述用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，用于实现矩形波脉冲射流，射流频率为1Hz～8.33Hz。

[0012] 优选的，所述用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置的工作过程为：

[0013] 步骤1，调试各个舵机(8)，保证各个所述舵机(8)的零位一致，作动规律一致，能够同步运转；

[0014] 步骤2，启动气流驱动机构(9)；

[0015] 步骤3，根据实时来流风速和雷诺数，确定最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比；将最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比实时传输给总控制
端；

[0016] 步骤4，总控制端根据最佳最大喷口质量流量和气流驱动机构(9)的性能，得到当前时刻的最佳喷气量和当前时刻的最佳吸气量，进而根据最佳喷气量和最佳吸气量确定气
流驱动机构(9)的最佳工作转速；

[0017] 总控制端根据最佳脉冲频率和最佳占空比，确定舵机(8)的最佳动作频率；

[0018] 步骤5，总控制端对所述气流驱动机构(9)的状态进行调节控制，使所述气流驱动机构(9)按最佳工作转速运行；同时，所述总控制端对舵机(8)的状态进行调节控制，使所述
舵机(8)按最佳动作频率运行；

[0019] 通过对所述气流驱动机构(9)和所述舵机(8)的协同控制，实现矩形波脉冲协同射流；具体过程为：

[0020] 吸气过程为：气流驱动机构(9)按最佳工作转速持续工作，持续将气流沿翼型上表面后缘高压区的吸气口(4)吸入低阻气流后管道(11)，低阻气流后管道(11)逐渐扩张，使气
流速度逐渐降低，气流经气流驱动机构(9)加压后，持续注入到低阻气流前管道(10)中；

[0021] 喷气过程为：舵机(8)按最佳动作频率在两种状态之间切换运动，其中：打开状态为：舵机(8)带动可动喷口(6)打开到特定角度的位置，实现喷气口(3)打开的状态；关闭状
态为：舵机(8)带动可动喷口(6)运行到完全关闭位置，实现喷气口(3)关闭的状态；

[0022] 当舵机(8)驱动可动喷口(6)运行到关闭位置时，由于气流驱动机构(9)持续工作，即：持续向低阻气流前管道(10)注入气流，使低阻气流前管道(10)中的压力持续升高；然
后，当到达工作周期时，舵机(8)驱动可动喷口(6)运行到打开位置，低阻气流前管道(10)中
的高压气体沿翼型上表面切线方向，从处于翼型前缘低压区的喷气口(3)高速喷出，将射流
能量注入到主流中，增加翼型表面环量，从而提高翼型升力；由于舵机(8)以最佳动作频率
持续工作，使喷气口(3)以同样的频率处于关闭和打开状态，从而实现矩形波脉冲射流；同
时，当气流由喷气口(3)喷出时，对翼型产生反作用力，此反作用力在阻力方向上的分量较
大，且与阻力方向相反，因而能够极大降低翼型阻力。

[0023] 本发明提供的一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置具有以下优点：

[0024] 本发明提出的用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，结构简单、加工方便、驱动效率高、可靠性高，能够简便、高效地实现脉冲协同射流。

附图说明

[0025] 图1是本发明提供的采用脉冲协同射流技术的机翼翼段的立体图；

[0026] 图2是本发明提供的喷气口开启状态下机翼翼段在A‑A处的剖视图；

[0027] 图3是本发明提供的喷气口关闭状态下机翼翼段在A‑A处的剖视图；

[0028] 图4是本发明提供的喷气口开启状态下机翼翼段喷气口处的局部视图；

[0029] 图5是本发明提供的喷气口关闭状态下机翼翼段喷气口处的局部视图；

[0030] 图6为本发明提供的喷气口最大高度和可动喷口长度的示意图；

[0031] 图7为本发明提供的占空比D为25％时的喷气口矩形波质量流量变化规律图；

[0032] 图8为本发明提供的占空比D为50％时的喷气口矩形波质量流量变化规律图；

[0033] 图9是本发明提供的脉冲协同射流翼型的典型风洞试验结果图。

具体实施方式

[0034] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以
解释本发明，并不用于限定本发明。

[0035] 本发明提供一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，气流从喷气口以脉冲方式喷出，在相同的平均喷口动量系数下，具有更大的瞬时喷口质量流量，因而能够
进一步加强主流与射流的掺混效应，更有效的抑制流动分离，本发明是一种能够简便、高效
地实现脉冲协同射流主动流动控制技术的装置。本发明所属技术领域为主动流动控制技术
领域，可应用于无人机机翼、风力机叶片、旋翼叶片、螺旋桨叶片等。

[0036] 参考图1‑图5，本发明提供一种用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，剖面翼型下表面1和剖面翼型上盖板2围成翼型，剖面翼型下表面1和剖面翼型上盖板2之间
形成翼型腔体；在翼型前缘低压区设置喷气口3，在翼型后缘高压区设置吸气口4；具体的，
喷气口3距翼型前缘7.5％倍弦长，喷气口3的最大高度为0.65％倍弦长；吸气口4距翼型前
缘80％倍弦长，吸气口4的最大高度为1.30％倍弦长。

[0037] 翼型腔体形成连通吸气口4和喷气口3的低阻气流管道；在低阻气流管道的内部安装梁5，通过梁5，将低阻气流管道划分为与吸气口4连通的低阻气流后管道11，以及与喷气
口3连通的低阻气流前管道10；在梁5上面安装用于驱动吸气和喷气的气流驱动机构9；

[0038] 在翼型前缘靠近喷气口3位置安装可动喷口6；可动喷口6与剖面翼型上盖板2的前缘铰接；具体实现上，可动喷口6与剖面翼型上盖板2的前缘通过合页和纤维胶带实现铰接
连接，既保证了可动喷口6的刚度，又保证了可动喷口6作动的一致性。

[0039] 可动喷口6的长度，为1.2到1.5倍喷气口3的最大高度；其中，参考图6，h代表喷气口的最大高度；l代表可动喷口的长度。可动喷口6的长度，为可动喷口6前缘曲率最大点到
后缘中心点的直线距离；喷气口3的最大高度，是指：喷气口3处于完全打开状态下时，喷气
口沿翼型上表面法向的高度。

[0040] 在剖面翼型上盖板2的根部、中部和梢部各安装舵机8；每个舵机8通过一个作动机构7与可动喷口6的前缘连接，舵机8通过对应的作动机构7，带动可动喷口6旋转，从而实现
将可动喷口6带动到关闭位置、或者带动到打开特定角度位置；各个作动机构7之间通过连
杆连接，保证各个作动机构7同步运动到相同的位置；因此，多个舵机同步调节，既保证可动
喷口作动时的同步性，又保证其具有足够的作动力。另外，各个作动机构7之间仅有1组连杆
连接，可靠性高。

[0041] 其中，可动喷口6的上表面，与喷气口3内侧下表面的接触面曲率一致，因此，当可动喷口6运动到关闭位置时，可动喷口6与喷气口3的内侧下表面处于面接触状态，保证喷气
口3为严密关闭状态。

[0042] 本发明中，用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，用于实现矩形波脉冲射流，射流频率为1Hz～8.33Hz。

[0043] 用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置的工作过程为：

[0044] 步骤1，调试各个舵机8，保证各个舵机8的零位一致，作动规律一致，能够同步运转；

[0045] 步骤2，启动气流驱动机构9；

[0046] 步骤3，根据实时来流风速和雷诺数，确定最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比；将最佳最大喷口质量流量、最佳脉冲频率和最佳占空比实时传输给总控制
端；

[0047] 其中，占空比D定义为喷口打开的时间占整个周期的比例。图7为本发明提供的占空比D为25％时的喷气口矩形波质量流量变化规律图；图8为本发明提供的占空比D为50％
时的喷气口矩形波质量流量变化规律图。

[0048] 步骤4，总控制端根据最佳最大喷口质量流量和气流驱动机构9的性能，得到当前时刻的最佳喷气量和当前时刻的最佳吸气量，进而根据最佳喷气量和最佳吸气量确定气流
驱动机构9的最佳工作转速；

[0049] 总控制端根据最佳脉冲频率和最佳占空比，确定舵机8的最佳动作频率；

[0050] 步骤5，总控制端对气流驱动机构9的状态进行调节控制，使气流驱动机构9按最佳工作转速运行；同时，总控制端对舵机8的状态进行调节控制，使舵机8按最佳动作频率运
行；

[0051] 通过对气流驱动机构9和舵机8的协同控制，实现矩形波脉冲协同射流；具体过程为：

[0052] 吸气过程为：气流驱动机构9按最佳工作转速持续工作，持续将气流沿翼型上表面后缘高压区的吸气口4吸入低阻气流后管道11，低阻气流后管道11逐渐扩张，使气流速度逐
渐降低，气流经气流驱动机构9加压后，持续注入到低阻气流前管道10中；

[0053] 喷气过程为：舵机8按最佳动作频率在两种状态之间切换运动，其中：打开状态为：舵机8带动可动喷口6打开到特定角度的位置，实现喷气口3打开的状态；关闭状态为：舵机8
带动可动喷口6运行到完全关闭位置，实现喷气口3关闭的状态；

[0054] 当舵机8驱动可动喷口6运行到关闭位置时，由于气流驱动机构9持续工作，即：持续向低阻气流前管道10注入气流，使低阻气流前管道10中的压力持续升高；然后，当到达工
作周期时，舵机8驱动可动喷口6运行到打开位置，低阻气流前管道10中的高压气体沿翼型
上表面切线方向，从处于翼型前缘低压区的喷气口3高速喷出，将射流能量注入到主流中，
增加翼型表面环量，从而提高翼型升力；由于舵机8以最佳动作频率持续工作，使喷气口3以
同样的频率处于关闭和打开状态，从而实现矩形波脉冲射流；同时，当气流由喷气口3喷出
时，对翼型产生反作用力，此反作用力在阻力方向上的分量较大，且与阻力方向相反，因而
能够极大降低翼型阻力。

[0055] 工作结束时，同时关闭气流驱动机构9和舵机8。本发明中，气流驱动机构9可采用风机或泵实现。

[0056] 因此，本发明提供的用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，能够根据实时来流风速和雷诺数等飞行状态，对舵机8和气流驱动机构9的工作状态进行实现调节，
进而保证翼型按最佳最大喷口质量流量工作。

[0057] 下面列举一个实施例：

[0058] 对于OA312旋翼翼型，构建脉冲协同射流流动控制装置，弦长800mm，展长1600mm，喷气口距翼型前缘7.5％倍弦长，喷气口的最大高度为0.65％倍弦长，吸气口距翼型前缘约
80％倍弦长，吸气口的最大高度为1.30％倍弦长，采用优化后的低阻内部管道。可动喷口是
在脉冲协同射流翼型/机翼上盖板的前缘处，可动喷口长度，为1.5倍喷气口高度。分别在翼
段根部、中部和梢部布置3套舵机装置，实现频率从1Hz到8.33Hz的脉冲射流效果。

[0059] 典型试验结果如图9所示，为本发明提供的脉冲协同射流翼型的典型风洞试验结果图。结果表明：与基准翼型相比，风速8m/s、射流频率8.33Hz状态下，脉冲协同射流翼型最
大升力系数提高56.8％。

[0060] 综上所述，本发明提出的用于实现脉冲协同射流主动流动控制方法的装置，具有以下优点：结构简单、加工方便、驱动效率高、可靠性高，能够简便、高效地实现脉冲协同射
流。

[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视本发明的保护范围。