CN103770933A - 一种翼面流动分离控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种翼面流动分离控制装置属于压电式激励器中的主动流动控制领域，涉及一种用于翼面流动分离控制的装置，实现在低雷诺数下减小流动分离、改善机翼气动性能的主动流动控制，并为未来飞行器性能的提升提供技术支持。该装置采用压电双晶片的板状和模块化结构，使用并联加载方式同时驱动四个翼面流动分离控制装置。该装置由基座、树脂胶层、弹簧钢片、上、下压电陶瓷片、电极引线组成。本发明由于结构简单、体积小、能量转化高、易实现等特点在工程应用上具有独特的优势；在基座上层涂抹树脂胶层，安装结束后通过整修树脂胶层，使其拟合翼型模型流线，减小了控制装置对整个翼型模型产生的额外干扰，在主动流动控制中具有广泛的应用前景。

Description

一种翼面流动分离控制装置

技术领域

本发明属于压电式激励器中的主动流动控制研究领域，特别涉及一种用于翼面流动分离控制的装置，实现在低雷诺数下减小流动分离、改善机翼气动性能的主动流动控制，并为未来飞行器性能的提升提供技术支持。

背景技术

翼型是各种飞行器上广泛使用的几何形状，如舵、稳定翼、鳍等，在低雷诺数下，流体流动常常处于层流状态，逆压梯度的抵抗能力弱，易产生分离、转捩等流动现象，从而使得升力减小、阻力增加，在一定条件下还会产生振荡，进而引起振动或噪声，以及结构疲劳等不良后果，严重时甚至影响到飞行器的安全性，大大地降低了飞行器的气动性能。因此，研究低雷诺数下减小流动分离的控制方法很有现实意义。目前，研究低雷诺数下减小流动分离的控制方法主要有被动流动控制方法和主动流动控制方法。

在工程上广泛应用的被动流动控制既不需要注入能量，也不改变大的结构，只是加装一些小的元件也可以达到流动控制的目的，如可用于减阻的沟槽肋条、能够减小诱导阻力的剪切翼尖、可提高升力的涡襟翼、推迟转捩控制分离的涡流发生器等。虽然被动控制方式不需要额外的能量注入，使用比较方便，但它主要通过预先设计好的固定装置来改变流动状态，当流场实际情况与设计状态有所偏离时，控制效果将会降低，并且存在工作期间无法根据实际情况进行调节、控制效果易受流动状态变化影响、在非设计状态下会产生额外的附加阻力等缺点。

主动流动控制通过向流场注入可控的能量，可更加灵活、精确、有效地改变流动状态，从而实现抑制流动分离和转捩、提高流动稳定性，达到减少航行器在流体中的阻力、减少压力脉动、降低辐射噪声等效果。相比于传统的被动流动控制方法，主动流动控制具有更高的效率、鲁棒性和理想的动态控制效果，因而具有广阔的应用前景。主动流动控制有多种实现方式，如机械式、电磁式、压电式、抽吸式等。其中基于压电激励器的方式，本发明由于结构简单、体积小、能量转化高、易实现等特点在工程应用上具有独特的优势，在主动流动控制中具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种翼面流动分离控制装置，用于为未来飞行器性能的提升提供技术支持。克服被动流动控制技术存在工作期间无法根据实际情况进行调节、控制效果易受流动状态变化影响、在非设计状态下会产生额外的附加阻力等缺点。该控制装置利用压电陶瓷在电场作用下产生形变的特点，采用压电双晶片的板状结构，并使用并联加载方式同时驱动四个翼面流动分离控制装置I，使整个结构发生更大弯曲变形，解决了压电单晶片结构变形小、串联加载方式效率低等问题；采用模块化设计，主要分为基座、树脂胶层和压电双晶片三部分，避免了加工制作复杂困难等问题。

本发明采用的技术方案是一种翼面流动分离控制装置，该装置由基座1、树脂胶层2、弹簧钢片3、上压电陶瓷片4、下压电陶瓷片4’、上压电陶瓷片电极引线5、下压电陶瓷片电极引线5’、弹簧钢片电极引线5”组成。其中，上、下压电陶瓷片4、4’由锆钛酸铅制备而成，粘贴在弹簧钢片3上、下表面，右侧端面齐平，弹簧钢片3左侧粘贴在基座1上，基座1上层涂抹树脂胶层2，最终拟合翼型模型流线，压电陶瓷片4和4’表面上镀一层银电极，压电陶瓷片4、4’分别引出的电极引线5、5’通过基座1上的小孔及下表面的槽内进行走线，弹簧钢片3引出的电极引线5”接地。

本发明的显著效果是：设计发明的一种翼面流动分离控制装置，实现了在低雷诺数下减小分离、改善机翼气动性能的主动流动控制。它基于双晶片结构，利用压电陶瓷在电场作用下产生形变的特点，使整个结构发生弯曲变形，解决了压电单晶片结构变形小、串联加载方式效率低等问题；在基座上层涂抹树脂胶层，安装结束后通过整修树脂胶层，使其拟合翼型模型流线，减小了控制装置对整个翼型模型产生的额外干扰，实现了在低雷诺数下减小流动分离、改善机翼气动性能的主动流动控制；另外该装置可分别对每个翼面流动分离控制装置施加不同的驱动电压，实现多种情况下的实时调控，为未来飞行器性能的提升提供了技术支持。

附图说明

附图1为翼面流动分离控制装置I的整体结构示意图，附图2为翼面流动分离控制装置I的俯视图，附图3为翼面流动分离控制装置I的主剖视图，附图4为修整后的翼面流动分离控制装置I装在翼型模型上的主剖视图，附图5为四个翼面流动分离控制装置I装在翼型模型上的俯视图。

图中：1-基座，2-树脂胶层，3-弹簧钢片，4-上压电陶瓷片，4’-下压电陶瓷片，5-电极引线，6-连接螺钉，7-翼型模型，I-翼面流动分离控制装置。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施。本发明设计的一种翼面流动分离控制装置，基于压电双晶片采用模块化结构，图1为翼面流动分离控制装置I的整体结构示意图，图2为翼面流动分离控制装置I的俯视图，图3为翼面流动分离控制装置I的主剖视图，主要包括基座1、树脂胶层2、弹簧钢片3、上压电陶瓷片4、下压电陶瓷片4’、上压电陶瓷片电极引线5、下压电陶瓷片电极引线5’、弹簧钢片电极引线5”。上、下压电陶瓷片4、4’由锆钛酸铅制备而成，具体型号为PZT-5H。它基于双晶片结构，利用压电陶瓷在电场作用下产生形变的特点，在弹簧钢片3的上表面粘有上压电陶瓷片4，下表面粘有下压电陶瓷片4’。按相同极性粘贴，采用并联加载方式对四个翼面流动分离控制装置I进行驱动，压电陶瓷片4和4’的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生更大弯曲变形，解决了压电单晶片结构变形小、串联加载方式效率低等问题；在基座1上层涂抹树脂胶层2，安装结束后通过整修树脂胶层2，使其拟合翼型模型流线，减小了控制装置对整个翼型模型产生的额外干扰；分别对每个翼面流动分离控制装置施加不同的驱动电压，实现多种情况下的实时调控，为未来飞行器性能的提升提供了技术支持。图4为修整后的翼面流动分离控制装置I装在翼型模型上的主剖视图，其中，细圆弧线为理想的翼型曲线，空腔上方的粗圆弧线为树脂胶层2最终修整后得到的曲线。图5为四个翼面流动分离控制装置I装在翼型模型上的俯视图，其中，每个翼面流动分离控制装置I通过四个连接螺钉7与翼型模型6进行连接，每个翼面流动分离控制装置I的间隙为0.5mm。

在具体实施过程中，信号发生器发出的信号经过电压放大器放大后，输送到四个翼面流动分离控制装置I对其进行驱动，基座1和弹簧钢片3作为压电陶瓷片4和4’的一个电极，压电陶瓷片4和4’的外表面各制作一层电极，驱动信号的一端与基座1相连，另一端与压电陶瓷片4和4’电极相连。压电陶瓷片4和4’内形成的电场大小相等，方向相反。压电陶瓷片4和4’按极性同向布置，在方向相反的电场作用下，一片伸长，一片缩短，使整个结构发生弯曲变形，产生振动，有效地改变了流体流动状态，从而实现抑制流动分离和转捩、提高流动稳定性，达到减少航行器在流体中的阻力、减少压力脉动、降低辐射噪声等效果。同时压电陶瓷片4和4’的位移信号可经过激光位移传感器测量后输送到示波器，电压放大器的监测电压信号也输送到示波器，通过示波器可以同时观察驱动电压的监测信号和位移信号并对其进行分析、处理和保存；对上方两个翼面流动分离控制装置I施加电压信号，下方两个施加相反的电压信号，在不同电场作用下可对流体实现旋振扰动；对两端翼面流动分离控制装置I施加电压信号，中间两个施加相反的电压信号，可实现拱形的扰流方式，有效地改变了流体的流动状态；根据实际情况可对每个翼面流动分离控制装置I单独加载电压信号，实现多种扰流方式，达到减小流动分离、改善机翼气动性能的目的。

翼面流动分离控制装置I可单独加载电压信号、结构简单、制造容易、安装方便、耗能少、可以实时有效地改变流体的流动状态，达到减小流动分离、改善机翼气动性能控制效果，是流体主动控制领域比较前沿的技术，应用潜力大。

Claims (1)

1.一种翼面流动分离控制装置，其特征在于，翼面流动分离控制装置基于压电双晶片采用模块化结构，使用并联加载方式同时驱动四个翼面流动分离控制装置I，装置由基座(1)、树脂胶层(2)、弹簧钢片(3)、上压电陶瓷片(4)、下压电陶瓷片(4’)、上压电陶瓷片电极引线(5)、下压电陶瓷片电极引线(5’)、弹簧钢片电极引线(5”)组成。其中，上、下压电陶瓷片(4)、(4’)由锆钛酸铅制备而成，粘贴在弹簧钢片(3)上、下表面，右侧端面齐平，弹簧钢片(3)左侧粘贴在基座(1)上，基座(1)上层涂抹树脂胶层(2)，最终拟合翼型模型流线，压电陶瓷片(4)和(4’)表面上镀一层银电极，压电陶瓷片(4)、(4’)分别引出的电极引线(5)、(5’)，通过基座(1)上的小孔及下表面的槽内进行走线，弹簧钢片(3)引出的电极引线(5”)接地。

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