一種基于零質量射流的陣列可變參數(shù)噴流流動控制方法技術

本發(fā)明專利技術屬于流體力學流動控技術領域，具體涉及一種將零質量射流激勵器陣列化并對對剪切層、大分離流場進行主動流動控制的方法。本發(fā)明專利技術所提出的方法通過將零質量射流激勵器進行陣列，組成陣列噴流區(qū)，通過對噴流激勵頻率、噴流激勵時序和噴流整體幾何特征的控制，改善剪切層、大分離流場(例如空穴流動)，并可針對寬泛的來流速度范圍(不可壓縮流動、可壓縮流動)和變化的來流角度調整靈活調整噴流參數(shù)，達到流動控制的目的。

An array variable parameter jet flow control method based on zero mass jet

The invention belongs to the technical field of fluid flow control, in particular to a method for controlling the active flow of a shearing layer and a large separation flow field by forming a zero mass jet actuator. The invention of the proposed method through the zero mass jet actuator array, array jet region, by controlling the excitation frequency, excitation of jet jet jet timing and global geometric features, improve the shear layer and the flow separation (e.g., needle and hole flow) of wide flow velocity range (incompressible flow, compressible flow) and changes the flow direction adjustment adjust jet flow control to achieve parameters.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于零質量射流的陣列可變參數(shù)噴流流動控制方法
本專利技術涉及流動控制領域，特別是涉及一種將零質量射流激勵器陣列化并在內埋彈艙艙打開以后進行主動流動控制的方法。
技術介紹
零質量射流技術最早可以追溯到聲學整流效應，即研究聲音如何產生流動，這種現(xiàn)象由周期性邊界層在靜止的環(huán)境中產生的。在諸如管道或空腔等有限出口的狹小空間中，具有方向性的流動導致了聲學整流效應，產生的流動將一定動量注入到環(huán)境中而質量通量為零，由于射流具有合成特征，因而被稱為合成射流或自耦合射流。合成射流形成的內在機理在于孔/縫邊緣處形成的渦環(huán)和渦環(huán)形成后在自誘導速度作用下向下游的遷移運動。上世紀九十年代，美國喬治亞理工大學的AriGlezer的研究小組首先研制成功了一種壓電膜式的合成射流激勵器。它是通過控制漩渦結構的融合來“合成”射流的。其結構是一系列不斷向外擴展的非定常渦環(huán)(或渦對)，這列非定常渦環(huán)(或渦對)是由合成射流激勵器振動膜的周期性振動工作，引起環(huán)境流體在激勵器出口孔縫處周期性剪切分離向外噴射而產生的。由于在激勵信號的一個完整周期內，通過激勵器出口“流出”和“吸入”激勵器腔體的流體質量流量相同。對外界環(huán)境來講，激勵器具有“零凈質量效應”，所以又稱為零質量射流。從本質上講所謂零質量射流、合成射流及自耦合射流都是等價的。單個零質量射流激勵器產生的流場具有如下特點(如圖2所示)：a)獨特的流場分區(qū)結構：在激勵器“吸入”過程時，激勵器噴口附近的一部分流體由外流環(huán)境進入腔體，而距出口一定位置處的流體繼續(xù)向下游發(fā)展，兩種流動之間存在合速度為零的“鞍點”，“鞍點”之內的流體(附面層)沿表面進入腔體，“鞍點”以外的流體則向下游遷移發(fā)展；b)兩種流動過程：“吸入”過程，周圍的附面層沿激勵器表面進入腔體；“噴出”過程，射流主要集中在中心線附近且方向性極佳；c)兩部分組成的“噴出”射流主流：一部分是激勵器在“噴出”過程產生的中心噴流，另一部分是中心噴流和“渦環(huán)(或渦對)”向下游遷移過程中，對周圍環(huán)境流體的“卷吸”、“引射”的“附著”外層流；d)不斷耗散的下游運動：零質量射流向下游運動過程中伴隨著低壓“卷吸場”存在，在遷移過程中，“渦環(huán)(或渦對)”的能量不斷耗散，其相干結構逐漸消失，最終演化為散亂的湍流流動，直至與環(huán)境流體融為一體。零質量射流的優(yōu)點是：a)不需要噴流工質，適合長時間工作；b)吸入能量較低的附面層，噴出能量較高的射流；c)通過對激勵裝置的控制可改變激勵特性；d)激勵器機構較為簡潔。目前，國內外的前沿研究尚處于應用探索階段。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的：由于零質量射流本身具有復雜非線性系統(tǒng)的行為特征，因此它敏感地依賴于初始條件，目前零質量射流流動控制存在的一個主要問題是激勵器的設計對于來流條件的變化十分敏感。同時，激勵器在強可壓縮流動(如超聲速)條件下的控制效果不佳也是一個亟待解決的問題。此外，對于工程應用而言，通過單個或少數(shù)激勵器尺寸的簡單放大會帶來很多其他問題(阻力增大、空間占用等)。為解決零質量射流激勵器對來流條件敏感的問題，本專利技術提出了可變陣列結合可變頻率的控制方法，通過噴流幾何組成和頻率的變化適應不同的來流角度和速度。為了解決零質量射流激勵器控制效果問題，本專利技術提出了陣列加強結合可變時序噴流的方法，在目前研究的零質量射流原理基礎上，當陣列“渦環(huán)”沿來流方向向下發(fā)展的過程中增加時序控制量[Δt]在“渦環(huán)”向下發(fā)展過程中進行“階梯式”接力加強，最終形成“渦環(huán)云”，從而達到強化控制效果的目的。因此，本專利技術能夠在來流條件(角度、速度)動態(tài)變化和較大速度范圍內改善剪切層、大分離流場，降低流場不利影響。本專利技術的技術方案：本專利技術陣列化射流，通過，同時通過控制每個射流激勵器頻率f和時序差Δt，利用渦環(huán)向下發(fā)展和零質量射流寬度擴張速率大，從而形成能量逐級加強的“渦環(huán)云”，并借助這種流動現(xiàn)象，完成對剪切層、大分離的流動控制。本專利技術的技術方案包括以下步驟：一種基于零質量射流的陣列可變參數(shù)噴流流動控制方法，被控制對象上安裝基于零質量射流的陣列，陣列中每個零質量射流單元均產生一種頻率可變化的間斷射流，包括以下步驟：第一步，采集被控制對象在流場中的迎角α和側滑角β，通過陣列解算，得出需要工作的噴口布置矩陣[K]；第二步，采集被控制對象流場的來流速度V∞和流體密度ρ∞，通過零質量射流激勵頻率解算，得到一個基準激勵頻率f0；第三步，將第一、二步得到的噴口布置矩陣[K]、迎角α、側滑角β和基準激勵頻率f0通過直接控制量解算，得到用于整個零質量激勵器陣列控制的時序差矩陣[Δt]和頻率矩陣[f]，陣列采用上述的兩個矩陣進行工作。頻率矩陣[f]是在基準激勵頻率f0的基礎上，陣列中每個射流單元根據(jù)幾何位置和來流條件所需的不同激勵頻率進行微調得到。時序差矩陣[Δt]是在解算出整體激勵頻率矩陣[f]的同時，為了形成渦環(huán)疊加效應，陣列中具有相同激勵頻率射流單元所采用的相位矩陣。本專利技術的技術效果：零質量射流與常規(guī)射流相比，其最突出的優(yōu)點在于不需要額外的工質，從而減少了一系列與工質貯存、輸送相關的設備和管道，能夠減少系統(tǒng)重量和簡化系統(tǒng)復雜程度，并且本專利技術中的時序化、陣列化、變參數(shù)的噴流方法能夠有效地適應不同來流條件的流動控制，同時分布式、陣列化的控制方法適用于零質量射流技術工程化應用。附圖說明圖1是靜止外流場中的單個射流激勵器原理示意圖；圖2是以空穴流動控制為例的典型陣列布置示意圖；圖3是控制方法結構圖；圖4是時序差控制以后的“渦環(huán)云”示意圖(簡化為二維問題)。具體實施方式本專利技術具體實施方式包括以下步驟：第一步，采集被控制對象流場的迎角α和側滑角β，通過陣列解算將迎角α和側滑角β代入通過試驗設計理論得到的基于DOE的代理模型，解算得出需要工作的噴口布置矩陣[K]；第二步，采集被控制對象流場的來流速度V∞和流體密度ρ∞，通過零質量射流激勵頻率解算，將來流速度V∞和流體密度ρ∞代入通過試驗設計理論得到的基于DOE的代理模型，從而解算得到一個基準激勵頻率f0；第三步，將第一、二步得到的噴口布置矩陣[K]、迎角α、側滑角β和基準激勵頻率f0通過控制量解算，將4個參數(shù)代入事先由試驗設計得到的基于DOE的代理模型，解算得到用與整個零質量激勵器陣列控制的時序差矩陣[Δt]和頻率矩陣[f]。第四步，實時調參，在目標流場區(qū)域布置傳感器(壓力、噪聲等)，通過基于梯度的調參方法或者是人工智能算法，對所有或特定控制參數(shù)進行實時調節(jié)，達到最優(yōu)的控制效果。通過以上三個步驟不斷循環(huán)，隨著流場條件的變化，實時地對剪切層、大分離進行流動控制。其零工質的特性適合長時間工作，能夠動態(tài)的改善流動特性(如降低飛行器內埋彈艙氣動噪聲、提高飛行器機翼抗失速特性、降低潛艇流噪聲、降低高速列車氣動噪聲)，同時也是一種富有潛力的基于零質量射流的可壓縮流動高馬赫數(shù)空穴流動控制的工程實現(xiàn)方法。此外，對于高馬赫數(shù)(高超聲速)飛行器，還能夠利用激波與附面層的干擾，通過改變湍流附面層形態(tài)從而改變激波形態(tài)，這種對于流場的擾動類似于改變了飛行器的“虛擬外形”，從而改變高超聲速飛行器氣動性能，推廣可作為調節(jié)高超聲速進氣道、增強乘波體飛行器偏離設計點飛行性能、自適應超聲速翼型的流動控制方法。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于零質量射流的陣列可變參數(shù)噴流流動控制方法，被控制對象上安裝基于零質量射流的陣列，陣列中每個零質量射流單元均產生一種頻率可變化的間斷射流，包括以下步驟：第一步，采集被控制對象在流場中的迎角α和側滑角β，通過陣列解算，得出需要工作的噴口布置矩陣[K]；第二步，采集被控制對象流場的來流速度V

【技術特征摘要】
1.一種基于零質量射流的陣列可變參數(shù)噴流流動控制方法，被控制對象上安裝基于零質量射流的陣列，陣列中每個零質量射流單元均產生一種頻率可變化的間斷射流，包括以下步驟：第一步，采集被控制對象在流場中的迎角α和側滑角β，通過陣列解算，得出需要工作的噴口布置矩陣[K]；第二步，采集被控制對象流場的來流速度V∞和流體密度ρ∞，通過零質量射流激勵頻率解算，得到一個基準激勵頻率f0；第三步，將第一、二步得到的噴口布置矩陣[K]、迎角α、側滑角β和基準激勵頻率f0通過直接控制量解算，得到用于整個零質量激勵器陣列控制的時序差矩陣[Δt]和頻率矩陣[f]，陣列采用上述的兩個矩陣進行工作。2.如權利要求1所述的一種基于零質量射流...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：郭亮，
申請(專利權)人：中國航空工業(yè)集團公司成都飛機設計研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川,51