CN104015928A - 一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，包括一个或多个压电激励器。该压电激励器每个包括两块压电晶片，铝合金弹性基片。压电激励器安装于“凹”字型带有小型腔室的支座结构上，使压电激励器齐平于待控制的气动表面，利用压电材料的逆压电效应，以电压放大器、信号发生器控制压电激励器振动。通过将压电激励器振动的纯效应引入流场，以及振动时沿流动方向压电激励器间的缝隙产生涡流，增加边界层内的气流流动方向的动量及涡流附近气流的湍流度，从而控制、延缓气动表面边界层的流动分离。本发明不需要常规复杂的机械驱动系统，重量轻、消耗能源小，结构简单，易于在真实飞机上综合布置，在不需要时，压电激励器不会产生寄生阻力。

Description

一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统

技术领域

本发明涉及流体力学，特别是涉及一种安装至基本连续的气动表面的压电式激励器，用于为边界层提供能量，改善边界层形态、推迟和延缓机翼边界层流动分离的一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统。

背景技术

对于飞机而言，机翼是飞机的主要升力来源，机翼产生的升力占全机升力的70%以上，机翼的升阻比、失速特性等性能对飞机的起飞距离、爬升率等任务性能和飞行品质有着重要的影响。流动分离将引起能量损失，导致机翼的阻力增加、升力降低，出现回流甚至失速。传统的机翼流动控制方法有缝翼、襟翼、涡流发生器、附面层吹/吸气等，这些方法会带来非预期的寄生阻力、且仅在很小的飞行条件范围内有效或需要复杂的移动部件、通气管路等，在飞行应用上实现有着诸多缺陷和困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，该控制系统利用压电陶瓷在电场作用下产生变形特点，所制压电激励装置振动的纯效应引入流场，以及振动时沿流动方向压电激励装置间隙产生涡流，增加边界层内的气流流动方向的动量及涡流附近气流的湍流度，从而控制、延缓机翼边界层的流动分离。

采用的技术方案是：

一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，包括支座、压电激励器、电压放大器、信号发生器。所述的支座为“凹”字形带有小型腔室的支座。所述压电激励器为一个或多个，每个压电激励器包括压电晶片、“L”型弯板铝合金弹性基片、整流层。所述压电晶片为长度方向可伸缩变形的压电晶片，两个长度方向可伸缩变形的压电晶片，分别粘贴在“L”型弯板铝合金弹性基片水平方向部分的上面和下面，其中上面的压电晶片与水平方向部分的“L”型弯板铝合金弹性基片表面涂覆一层整流层，形成所述压电激励器，压电激励器以“L”型弯板铝合金弹性基片的竖直方向部分与支座固定，“L”型弯板铝合金弹性基片水平方向部分和压电晶片悬空置于支座的小型腔室内，并使压电晶片上表面与支座的小型腔室表面在一个水平面上。所述压电晶片通过信号线连接电压放大器，信号发生器与电压放大器相连，向压电晶片发出控制信号，控制压电激励器的扰流状况，所述成为压电陶瓷扰流系统，压电陶瓷扰流系统固定在机翼上，并齐平于待控制的机翼气动表面，构成压电陶瓷用于机翼边界层分离流动控制系统。

上述的压电晶片为长度方向可伸缩变形的压电陶瓷片。

上述的压电激励器为多个时，压电激励器之间及压电激励器与支座的小型腔室壁面间的缝隙不大于0.5mm。

上述的整流层为聚酰亚胺层。

本发明利用压电材料的逆压电效应，在外加电压下，压电晶片产生变形，从而带动弹性基片产生弯曲变形，形成压电激励器尖端位移。通过交变电压激励，实现压电晶片变形方向的周期变换，从而在压电激励器尖端产生一定的频率的周期性振动，对待控制流场产生激励作用；另一方面，相邻压电激励器以不同相位振动，从而在压电激励器间的间隙不断产生涡流，使主流中高动量气流和物面边界层内低动量气流进行交换或平衡，增加了边界层内气流流动方向上的动量。

本发明的优点是：

1.本发明结构简单，易于在真实飞机上综合布置，在不需要时，控制压电激励器使其停止工作，且不产生寄生阻力；

2.本发明不需要常规复杂的机械驱动系统，相对于常规主动流动控制装置减轻了结构重量；

3.本发明无需气源动力和外界质量注入，可以通过外在的电参数来实现激励装置的控制，消耗少量电能；

4.本发明产生可控制的涡流，扩大了流动控制范围，其驱动信号的可调节性也保证了激励装置在不同设计点的控制效果。

附图说明

图1是本发明的结构平面示意图。

图2是图1的A―A剖面图。

图3是本发明在机翼上安装示意图。

具体实施方式

一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，包括支座3、压电激励器、电压放大器5、信号发生器6。所述的支座3为半“凹”字形带有小型腔室8的支座。所述压电激励器为一个或多个，本例如图1所示，示出了三个压电激励器，但是备选实施例可包括任何数量的激励器。如图1、图2所示，每个压电激励器包括压电晶片1、“L”型弯板铝合金弹性基片2、整流层7。所述压电晶片1为长度方向可伸缩变形的压电陶瓷片，两个长度方向可伸缩变形的压电陶瓷片，分别粘贴在“L”型弯板铝合金弹性基片2水平方向部分2-1的上面和下面，其中上面的压电陶瓷片即压电晶片与水平方向部分的“L”型弯板铝合金弹性基片表面涂覆一层为聚酰亚胺的整流层7，为保持表面平滑光顺性，形成所述压电激励器，压电激励器以“L”型弯板铝合金弹性基片2的竖直方向部分2-2与支座3固定，“L”型弯板铝合金弹性基片2水平方向部分2-1和压电晶片1悬空置于支座3的小型腔室8内，并使压电晶片1上表面与支座3的小型腔室8表面在一个水平面上，压电激励器之间及压电激励器与支座的小型腔室8壁面间的缝隙4很小，不大于0.5mm。两块压电晶片一块伸长，另一块缩短，从而导致激励器的弯曲、振动。所述的电压放大器5为压电陶瓷专用驱动电源，所述压电晶片1通过信号线连接电压放大器5，信号发生器6与电压放大器5相连，向压电陶瓷式的压电晶片发出控制信号，控制压电激励器的扰流状况，所述成为压电陶瓷扰流系统，压电陶瓷扰流系统固定在机翼9上（见图3），并齐平于待控制的机翼气动表面，构成压电陶瓷用于机翼边界层分离流动的控制系统。

工作原理

图2、3给出压电陶瓷扰流系统安装在机翼上的简图及压电陶瓷扰流系统实施作用示意图，信号发生器6发出振动触发信号，经过压电陶瓷专用驱动电源电压放大器5放大后，输出至压电晶片1，两压电晶片1在交变电压作用下产生伸缩变形，带动压电激励器0振动。将压电激励器振动的纯效应引入流场，激励了边界层；另一方面，控制驱动信号，使相邻压电激励器振动并产生一定的相位差，从而在压电激励器间的缝隙以及激励器与小腔室8壁面间的缝隙4产生涡流，进一步增加边界层内的气流流动方向的动量及涡流附近气流的湍流度，从而控制、延缓机翼边界层的流动分离。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，包括支座（3）、压电激励器、电压放大器（5）、信号发生器（6），其特征在于所述的支座（3）为半“凹”字形带有小型腔室（8）的支座；所述压电激励器为一个或多个，每个压电激励器包括压电晶片（1）、“L”型弯板铝合金弹性基片（2）、整流层（7），所述压电晶片（1）为长度方向可伸缩变形的压电晶片，两个长度方向可伸缩变形的压电晶片（1），分别粘贴在“L”型弯板铝合金弹性基片（2）水平方向部分（2-1）的上面和下面，其中上面的压电晶片与水平方向部分的“L”型弯板铝合金弹性基片表面涂覆一层整流层（7），形成所述压电激励器，压电激励器以“L”型弯板铝合金弹性基片（2）的竖直方向部分（2-2）与支座（3）固定，“L”型弯板铝合金弹性基片水平方向部分（2-1）和压电晶片（1）悬空置于支座（3）的小型腔室（8）内，并使压电晶片（1）上表面与支座（3）的小型腔室（8）表面在一个水平面上，所述压电晶片（1）通过信号线连接电压放大器（5），信号发生器（6）与电压放大器（5）相连，向压电陶瓷式的压电晶片（1）发出控制信号，控制压电激励器的扰流状况，所述成为压电陶瓷扰流系统，压电陶瓷扰流系统固定在机翼（9）上，并齐平于待控制的机翼气动表面。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，其特征在于所述的压电晶片（1）为长度方向可伸缩变形的压电陶瓷片。

3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，其特征在于所述的压电激励器为多个时，压电激励器之间及压电激励器与支座（3）的小型腔室（8）壁面间的缝隙（4）不大于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷用于边界层分离流动的控制系统，其特征在于所述的整流层（7）为聚酰亚胺层。