CN101825127A - 用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，包括磁极、电极、底座和盖板，磁极和电极沿水平方向相间的排列在底座和盖板之间，两相邻磁极的极性相反，各电极通过导线与电极脉冲控制器连接，电极由若干小电极组成，排列在两相邻磁极之间，每个小电极分别通过导线与电极脉冲控制器连接。本发明可以降低电极板表面电解腐蚀，延长电极板使用寿命，适用不同运动体形状变化，有效控制导电流体中运动体表面流体分离、减阻，具有广泛的市场前景。

Description

用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器

技术领域

本发明属于一种电磁流体控制器，特别是一种用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器。

背景技术

随着能源危机的日益严重，流体边界层的分离控制显得越来越重要。据统计，现代民用运输机和水上船只，表面摩擦阻力约占总阻力的50％，而对于水下潜器，比例则高达70％，如文献1，潘家正，湍流减阻新概念的实验探索，空气动力学学报，1996，14(3)：304-310。阻力与燃油消耗率密切相关，例如，38吨重的半挂车，行使速度为60与80km/h时，克服阻力所消耗的功率分别为25kw和60kw，若阻力下降25％，则可降低油耗8.5％，由此可知，边界层控制所带来的潜在经济效益相当可观。除此之外，边界层控制还可带来其它好处，如抑制流体分离，降低噪音与提高热交换等等，因而其在航空、船舶、运输、化工、军事等领域都有极其重要的应用背景。

流体控制方法一般按有无能量输入而分为被动控制(固定的控制手段，无能量加入)与主动控制(非定常的能量加入)两种，而主动控制还可分为开环与闭环控制。近年来，主动闭环控制方法因其高效率与低能耗而成为控制与减阻研究的热点，其特点是可根据实时流场传感器(sensor)的测试信息来调整激励器(actuator)控制能量的输入。

近年来，利用电磁力进行流体边界层分离控制被认为最有潜力的三种主动控制方法之一，其基本原理是在弱导电介质溶液(如海水)中的钝体表面上按一定方式进行电磁极板布置，可对其附近流过的流体施加电磁力作用，从而使此区域的流体获得与电磁力作用方向相同的动量，从而消除造成流体分离的逆压梯度，抑制流体在钝体壁面上的分离。相对于其它控制方法，其显著优点是电磁力的大小与方向可通过对电磁极板中的电流与磁通量强度以及电磁极板的空间分布进行控制，因而便于满足工程应用中的各种需求。

目前用于边界层流体控制的电磁极板排列方式一般为电极与磁极相间排列，所产生的电磁力与流体方向相同，如文献2，周本谋，范宝春，陈志华，叶经方，丁汉新，勒连明，流体边界层上电磁力的控制效应研究，力学学报，2004，36(4)：472-478.；文献3，陈耀慧，范宝春，陈志华，周本谋，翼型绕流电磁控制的实验和数值研究，物理学报，2008，57(2)：648-653.]以及对管道流体中的离子运动进行控制，如文献4.Paul E Hagseth，Paul D.McClure，Inlet Electromagnetic Flow Control，US Patent 20080277004。由于电磁力的分布沿电磁极板表面法向方向呈指数衰减，仅在其穿透深度范围内的作用效果明显，因而其作用范围仅在电磁极板表面非常近的区域，导致其控制效率很低，另外，由于电解质在电极表面有电离，易造成电极表面的腐蚀，影响电极的使用寿命。因此，目前的电磁控制仍处于实验阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以降低电极板表面电解腐蚀，延长电极板使用寿命，适用不同运动体形状变化，有效控制导电流体中运动体表面流体分离、减阻的用于运动体边界层流体控制的电磁控制器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，包括磁极、电极、底座和盖板，磁极和电极沿水平方向相间的排列在底座和盖板之间，两相邻磁极的极性相反，各电极通过导线与电极脉冲控制器连接，所述的电极由若干小电极组成，排列在两相邻磁极之间，每个小电极分别通过导线与电极脉冲控制器连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、由于本发明对电极的布置方式进行的改进，可产生法向与展向的电磁力来对平板上的边界层流体进行分离控制，与局限在钝体壁面上的常规电磁控制相比，扩大了控制范围，取得了更好的控制效果；2、由于本发明以一定频率不断改变电极的正负特性，因而可有效控制电解质在电极表面的电离情况，减轻对电极表面的腐蚀，延长电极板的使用寿命。

附图说明

图1为本发明用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器的结构示意图。

图2为本发明用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器中电磁极板的布置方式及电极的激励方式示意图。

图3为电极脉冲控制器的结构工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2，本发明公开了一种用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，包括磁极1、电极、底座3和盖板4，磁极1和电极沿水平方向相间的排列在底座3和盖板4之间，两相邻磁极的极性相反，各电极通过导线6与电极脉冲控制器5连接，电极由若干小电极2组成，排列在两相邻磁极之间，以矩阵方式分布在底座3和盖板4之间，同列小电极2之间的间距可为其宽度的0.6～1.5倍，每个小电极2分别通过导线6与电极脉冲控制器5连接。

电磁力是一种三维体积力，其大小与方向可随电磁极板宽度、电磁场强度、电磁阵列布置以及电极的时序激励方式而千变万化。所以在实际使用中，本发明用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器和电极脉冲控制器配套使用，电极脉冲控制器的主要功能就是产生多路独立的电脉冲，供电磁流体控制器的小电极2使用。其频率与幅值由一台PC主机控制，结合图3，电极脉冲控制器中主要的处理单元选用PCI-TMC12(A)计时计数卡，计时计数卡通过PCI总线与PC主机通信，电极脉冲控制器将计时计数卡上产生的脉冲序列转换为脉冲序列并锁存目前状态直到PC主机发出下一个转换序列指令，电极脉冲控制器对锁存的脉冲序列进行处理，在控制器输出端分别输出经过功率放大后的正负电压脉冲序列到本发明电磁流体控制器的各个小电极2上，和磁极1产生的磁场相互配合，在电磁流体控制器周围产生时序可调，空间分布可变的电磁力，从而实现对流体边界层的有效控制。结合图1，电磁控制器中的小电极2均匀分布在相邻的两磁极1之间，由电极脉冲控制器控制其上加载的激励电压的大小和方向，从而可改变电磁极板产生的电磁力的空间与时序分布。各小电极2上加载的电压可根据产生电磁力的要求而按不同规律进行加载，如图1中单个小电极2的加载方式首先为“+”，然后为“-”，最后为“0”与“0”，而此小电极2所在的列沿-z方向的电压激励方式同样可选为“+”，“-”，“0”，“0”。相邻的电极列沿-z方向的激励方式则可选为“0”，“0”，“+”，“-”，其中各不同符号“+”、“-”与“0”分别代表电极在激励条件下所处的状态，“+”表示此时小电极2加载正向电压；“-”则代表此时小电极2加载负向电压；而“0”则表示此时无电压加载。

在上述电极激励方式下，根据电磁力的定义：F＝J×B，其中J为电极所产生的电流密度，而B则为磁极产生的磁感应强度。因此各同列相邻电极与相邻的磁极相互作用所产生的电磁力根据右手定则可知，其电磁力为法向力，并且指向极板表面，因而它可有效将分离的流体吸附在极板表面上，从而可以进行流体的分离控制。另外，相邻列之间的小电极2同样可产生电流密度，根据电磁力的定义与右手定则，可知其电磁力为展向。同时，因小电极2按以上激励方式变化，其展向电磁力会以相应频率产生振荡，形成振荡式展向电磁力。

下面通过具体实验来说明本发明。本实验中电磁流体控制器的尺寸为130×102(mm²)，其中所用的磁极尺寸为10×102(mm²)，各相邻磁极间隔为10mm，电极半径为3mm，同列中相邻电极中心相距8mm。电磁流体控制器的磁极为7块，电极为6列，每列电极个数为12，总的电极数为72个。实验在转动的有机玻璃槽内进行，槽内装有一定量的硫酸铜溶液，其电导率与密度与海水接近。将标准翼型NACA0015与来流成15°的攻角方向插入溶液中。若无电磁力控制，则发现翼型头部背风面会出现流体分离，并产生涡旋。若在翼型背风面壁面加装本发明所述的电磁流体控制器，并在各极上加载电压后发现翼型尾部涡旋与翼型表面流体分离的现象消失，通过流体显影剂发现，流体沿翼型上下表面流动并在尾部汇合。

Claims (3)

1.一种用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，包括磁极[1]、电极、底座[3]和盖板[4]，磁极[1]和电极沿水平方向相间的排列在底座[3]和盖板[4]之间，两相邻磁极的极性相反，各电极通过导线[6]与电极脉冲控制器[5]连接，其特征在于，所述的电极由若干小电极[2]组成，排列在两相邻磁极之间，每个小电极[2]分别通过导线[6]与电极脉冲控制器[5]连接。

2.根据权利要求1所述的用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，其特征在于所述的小电极[2]以矩阵方式分布在底座[3]和盖板[4]之间。

3.根据权利要求1或2所述的用于运动体边界层流体控制的电磁流体控制器，其特征在于所述同列小电极[2]之间的间距为其宽度的0.6～1.5倍。

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