CN106873647A - 一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体力学流动控技术领域，具体涉及一种将零质量射流激励器阵列化并对对剪切层、大分离流场进行主动流动控制的方法。本发明所提出的方法通过将零质量射流激励器进行阵列，组成阵列喷流区，通过对喷流激励频率、喷流激励时序和喷流整体几何特征的控制，改善剪切层、大分离流场(例如空穴流动)，并可针对宽泛的来流速度范围(不可压缩流动、可压缩流动)和变化的来流角度调整灵活调整喷流参数，达到流动控制的目的。

Description

一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法

技术领域

本发明涉及流动控制领域，特别是涉及一种将零质量射流激励器阵列化并在内埋弹舱舱打开以后进行主动流动控制的方法。

背景技术

零质量射流技术最早可以追溯到声学整流效应，即研究声音如何产生流动，这种现象由周期性边界层在静止的环境中产生的。在诸如管道或空腔等有限出口的狭小空间中，具有方向性的流动导致了声学整流效应，产生的流动将一定动量注入到环境中而质量通量为零，由于射流具有合成特征，因而被称为合成射流或自耦合射流。合成射流形成的内在机理在于孔/缝边缘处形成的涡环和涡环形成后在自诱导速度作用下向下游的迁移运动。

上世纪九十年代，美国乔治亚理工大学的Ari Glezer的研究小组首先研制成功了一种压电膜式的合成射流激励器。它是通过控制漩涡结构的融合来“合成”射流的。其结构是一系列不断向外扩展的非定常涡环(或涡对)，这列非定常涡环(或涡对)是由合成射流激励器振动膜的周期性振动工作，引起环境流体在激励器出口孔缝处周期性剪切分离向外喷射而产生的。由于在激励信号的一个完整周期内，通过激励器出口“流出”和“吸入”激励器腔体的流体质量流量相同。对外界环境来讲，激励器具有“零净质量效应”，所以又称为零质量射流。从本质上讲所谓零质量射流、合成射流及自耦合射流都是等价的。

单个零质量射流激励器产生的流场具有如下特点(如图2所示)：

a)独特的流场分区结构：在激励器“吸入”过程时，激励器喷口附近的一部分流体由外流环境进入腔体，而距出口一定位置处的流体继续向下游发展，两种流动之间存在合速度为零的“鞍点”，“鞍点”之内的流体(附面层)沿表面进入腔体，“鞍点”以外的流体则向下游迁移发展；

b)两种流动过程：“吸入”过程，周围的附面层沿激励器表面进入腔体；“喷出”过程，射流主要集中在中心线附近且方向性极佳；

c)两部分组成的“喷出”射流主流：一部分是激励器在“喷出”过程产生的中心喷流，另一部分是中心喷流和“涡环(或涡对)”向下游迁移过程中，对周围环境流体的“卷吸”、“引射”的“附着”外层流；

d)不断耗散的下游运动：零质量射流向下游运动过程中伴随着低压“卷吸场”存在，在迁移过程中，“涡环(或涡对)”的能量不断耗散，其相干结构逐渐消失，最终演化为散乱的湍流流动，直至与环境流体融为一体。

零质量射流的优点是：

a)不需要喷流工质，适合长时间工作；

b)吸入能量较低的附面层，喷出能量较高的射流；

c)通过对激励装置的控制可改变激励特性；

d)激励器机构较为简洁。

目前，国内外的前沿研究尚处于应用探索阶段。

发明内容

本发明的目的：

由于零质量射流本身具有复杂非线性系统的行为特征，因此它敏感地依赖于初始条件，目前零质量射流流动控制存在的一个主要问题是激励器的设计对于来流条件的变化十分敏感。同时，激励器在强可压缩流动(如超声速)条件下的控制效果不佳也是一个亟待解决的问题。此外，对于工程应用而言，通过单个或少数激励器尺寸的简单放大会带来很多其他问题(阻力增大、空间占用等)。

为解决零质量射流激励器对来流条件敏感的问题，本发明提出了可变阵列结合可变频率的控制方法，通过喷流几何组成和频率的变化适应不同的来流角度和速度。

为了解决零质量射流激励器控制效果问题，本发明提出了阵列加强结合可变时序喷流的方法，在目前研究的零质量射流原理基础上，当阵列“涡环”沿来流方向向下发展的过程中增加时序控制量[Δt]在“涡环”向下发展过程中进行“阶梯式”接力加强，最终形成“涡环云”，从而达到强化控制效果的目的。

因此，本发明能够在来流条件(角度、速度)动态变化和较大速度范围内改善剪切层、大分离流场，降低流场不利影响。

本发明的技术方案：

本发明阵列化射流，通过，同时通过控制每个射流激励器频率f和时序差Δt，利用涡环向下发展和零质量射流宽度扩张速率大，从而形成能量逐级加强的“涡环云”，并借助这种流动现象，完成对剪切层、大分离的流动控制。

本发明的技术方案包括以下步骤：

一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法，被控制对象上安装基于零质量射流的阵列，阵列中每个零质量射流单元均产生一种频率可变化的间断射流，包括以下步骤：

第一步，采集被控制对象在流场中的迎角α和侧滑角β，通过阵列解算，得出需要工作的喷口布置矩阵[K]；

第二步，采集被控制对象流场的来流速度V_∞和流体密度ρ_∞，通过零质量射流激励频率解算，得到一个基准激励频率f₀；

第三步，将第一、二步得到的喷口布置矩阵[K]、迎角α、侧滑角β和基准激励频率f₀通过直接控制量解算，得到用于整个零质量激励器阵列控制的时序差矩阵[Δt]和频率矩阵[f]，阵列采用上述的两个矩阵进行工作。

频率矩阵[f]是在基准激励频率f₀的基础上，阵列中每个射流单元根据几何位置和来流条件所需的不同激励频率进行微调得到。

时序差矩阵[Δt]是在解算出整体激励频率矩阵[f]的同时，为了形成涡环叠加效应，阵列中具有相同激励频率射流单元所采用的相位矩阵。

本发明的技术效果：

零质量射流与常规射流相比，其最突出的优点在于不需要额外的工质，从而减少了一系列与工质贮存、输送相关的设备和管道，能够减少系统重量和简化系统复杂程度，并且本发明中的时序化、阵列化、变参数的喷流方法能够有效地适应不同来流条件的流动控制，同时分布式、阵列化的控制方法适用于零质量射流技术工程化应用。

附图说明

图1是静止外流场中的单个射流激励器原理示意图；

图2是以空穴流动控制为例的典型阵列布置示意图；

图3是控制方法结构图；

图4是时序差控制以后的“涡环云”示意图(简化为二维问题)。

具体实施方式

本发明具体实施方式包括以下步骤：

第一步，采集被控制对象流场的迎角α和侧滑角β，通过阵列解算将迎角α和侧滑角β代入通过试验设计理论得到的基于DOE的代理模型，解算得出需要工作的喷口布置矩阵[K]；

第二步，采集被控制对象流场的来流速度V_∞和流体密度ρ_∞，通过零质量射流激励频率解算，将来流速度V_∞和流体密度ρ_∞代入通过试验设计理论得到的基于DOE的代理模型，从而解算得到一个基准激励频率f₀；

第三步，将第一、二步得到的喷口布置矩阵[K]、迎角α、侧滑角β和基准激励频率f₀通过控制量解算，将4个参数代入事先由试验设计得到的基于DOE的代理模型，解算得到用与整个零质量激励器阵列控制的时序差矩阵[Δt]和频率矩阵[f]。

第四步，实时调参，在目标流场区域布置传感器(压力、噪声等)，通过基于梯度的调参方法或者是人工智能算法，对所有或特定控制参数进行实时调节，达到最优的控制效果。

通过以上三个步骤不断循环，随着流场条件的变化，实时地对剪切层、大分离进行流动控制。其零工质的特性适合长时间工作，能够动态的改善流动特性(如降低飞行器内埋弹舱气动噪声、提高飞行器机翼抗失速特性、降低潜艇流噪声、降低高速列车气动噪声)，同时也是一种富有潜力的基于零质量射流的可压缩流动高马赫数空穴流动控制的工程实现方法。

此外，对于高马赫数(高超声速)飞行器，还能够利用激波与附面层的干扰，通过改变湍流附面层形态从而改变激波形态，这种对于流场的扰动类似于改变了飞行器的“虚拟外形”，从而改变高超声速飞行器气动性能，推广可作为调节高超声速进气道、增强乘波体飞行器偏离设计点飞行性能、自适应超声速翼型的流动控制方法。

Claims (4)

1.一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法，被控制对象上安装基于零质量射流的阵列，阵列中每个零质量射流单元均产生一种频率可变化的间断射流，包括以下步骤：

第一步，采集被控制对象在流场中的迎角α和侧滑角β，通过阵列解算，得出需要工作的喷口布置矩阵[K]；

第二步，采集被控制对象流场的来流速度V_∞和流体密度ρ_∞，通过零质量射流激励频率解算，得到一个基准激励频率f₀；

第三步，将第一、二步得到的喷口布置矩阵[K]、迎角α、侧滑角β和基准激励频率f₀通过直接控制量解算，得到用于整个零质量激励器阵列控制的时序差矩阵[Δt]和频率矩阵[f]，阵列采用上述的两个矩阵进行工作。

2.如权利要求1所述的一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法，其特征是，频率矩阵[f]是在基准激励频率f₀的基础上，阵列中每个射流单元根据几何位置和来流条件所需的不同激励频率进行微调得到。

3.如权利要求1所述的一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法，其特征是，时序差矩阵[Δt]是在解算出整体激励频率矩阵[f]的同时，为了形成涡环叠加效应，阵列中具有相同激励频率射流单元所采用的相位矩阵。

4.如权利要求1-3之一所述的一种基于零质量射流的阵列可变参数喷流流动控制方法，其特征是，还包括：第四步，实时调参，在目标流场区域布置传感器，通过基于梯度的调参方法或者是人工智能算法，对所有或特定控制参数进行实时调节，达到最优的控制效果。