CN109665092B - 一种可延缓流动分离的圆柱体及置于圆柱体上的激励器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可延缓流动分离的圆柱体及置于圆柱体上的激励器，用于控制圆柱表面的流动，从而可以抑制流动分离，来实现增升减阻，减弱噪声振动等功能。等离子体激励器具有结构简单、尺寸小、重量低、反应迅速、频带响应宽等优点，能在短时间内生成一个比较好的循环回路，无需从外界引入新的气源，从而减少了能量的消耗，也避免需要安装引入气体的装置，节省了空间。可根据实际的自由来流速度来调整通道的宽度以及激励器的电学参数来生成相应的循环回路以有效改善圆柱的表面流场，抑制流动分离，能有效减小气动噪声,减弱甚至是消除振动。

Description

一种可延缓流动分离的圆柱体及置于圆柱体上的激励器

技术领域

本发明属于流动控制领域，特别涉及一种可延缓流动分离的圆柱体及置于圆柱体上的激励器。

背景技术

圆柱绕流是流体力学的经典问题之一，广泛地存在于航空航天、建筑工程、水利工程、高空电缆、机械、核工业、远洋钻井、风工程等科学研究和工程实践领域。早在1908年，就有人采用素描的方法记录下了水中圆柱背对来流一侧的周期性漩涡脱落。1911年冯.卡门从理论上研究了圆柱绕流产生的两列涡街的稳定性此后引起了众多学者对圆柱绕流问题广泛的关注。

1904年，普朗特采用吸气的方式成功抑制了圆柱绕流的流动分离。自此，流动控制技术的发展经历了上百年的历史。流动控制技术是指通过对运动流体施加质量、热量、电磁等物理量来改变流动状态，从而改变运动物体的受力状态或运动状态。流动控制技术可以通过改变机翼表面的流动情况来增升减阻，延缓气流分离，改善失速特性，防除冰等。流动控制技术是流体力学中的一个重要的研究内容，涉及的范围十分广泛。根据有无主动注入能量的划分标准，流动控制技术分为主动控制技术技及被动控制技术。被动控制技术只能在预先设定的飞行状态下表现出良好的控制效果，而主动控制技术则能在多个飞行状态下都有良好的控制效果。

等离子体流动控制是基于“等离子体气动激励”的新概念主动流动控制技术，可以利用微量的、局部的气流扰动来控制全局的流动，是现有存在的主动流动控制技术。其中正弦交流阻挡介质放电是比较常见一种产生等离子体的方式。正弦交流阻挡介质放电等离子体激励器(以下简称激励器)是利用正弦交流阻挡介质放电的方式来产生等离子体的一种装置。它是由上层电极、下层电极、介质层以及电源系统组成，下层电极安放在物体表面，下层电极的上方是绝缘的阻挡介质层，绝缘介质层将整个下层电极覆盖住，阻挡介质层的上方是上层电极，上层电极的上表面暴露在空气中，三者紧密接触，无间隙。激励器能通过交流放电激励，对电极周围空气进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，同时激励器的电场诱导带电粒子运动并撞击中性粒子进而诱导出一道近壁面射流，射流速度可达数米每秒，方向是由上层电极指向下层电极。然而，等离子体流动控制技术也有其缺点，就是其诱导的风速比较低，相应的，能控制的风速也比较低，在已有的实验中，最高可以控制的流速才60m/s。

协同射流技术是现有存在的新型流动控制技术，它是在翼型吸力面的前、后缘分别布置一个吹气槽和吸气槽，一小股空气从后缘吸气槽吸入，通过布置在翼型内部的压缩机系统加压，然后从前缘吹气槽以平行于主流方向喷出。上述工作过程并没有向系统增加任何质量，是一种零质量的主动流动控制技术。该技术特点是实现了很低能耗条件下的升力特性大幅提升、阻力减小以及失速迎角的显著推迟，与其它流动控制技术相比，目前是唯一能在小攻角附着流巡航状态下大幅提高气动效率和升力系数的流动控制方式。但是，协同射流技术也有其缺点，就是在翼型中间要开辟缝道安放一个气泵，气泵的体积不能太小，这样就导致缝道的宽度很大，从而占用了机翼太多的空间，减少了承力结构的安放，这样就会造成机翼的结构强度减小。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的技术存在的缺陷，本发明提出一种可延缓流动分离的圆柱体及置于圆柱体上的激励器，用于控制圆柱表面的流动，从而可以抑制流动分离，来实现增升减阻，减弱噪声振动等功能。

本发明的技术方案是：一种可延缓流动分离的圆柱体，在圆柱体的侧壁上，沿轴线对称开有两个U型通槽，分别作为气体进入的第一缝道和第二缝道；圆柱体的端面上形成四个气口，分别定义为第一吸气口、第一喷气口、第二吸气口和第二喷气口，其中第一吸气口和第一喷气口为第一缝道的两个端口，第二吸气口和第二喷气口为第二缝道的两个端口。

本发明的进一步技术方案是：所述第一缝道的宽度设为d1，且d1的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，且d1＝d2。

本发明的进一步技术方案是：所述第二缝道的宽度设为d2，且d2的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，且d1＝d2。

本发明的进一步技术方案是：所述第一缝道和第二缝道之间的径向距离设为h，且h的取值范围为10％圆柱直径到50％圆柱直径。

本发明的进一步技术方案是：所述缝道的径向厚度设为d3，且d3的取值范围为2-10mm。

本发明的进一步技术方案是：所述激励器包括电源、上层电极、绝缘介质层和下层电极；所述上层电极和下层电极分别位于绝缘介质层的对应的两侧，且三者为间隙配合；上层电极和电源正极连接，下层电极和电源负极连接，上层电极和下层电极连接好后共同接地，上层电极暴露于空气中，下层电极包裹于绝缘介质中。

本发明的进一步技术方案是：所述绝缘介质层采用聚酰亚胺胶带制成。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明可根据实际的自由来流速度来调整通道的宽度以及激励器的电学参数来生成相应的循环回路以有效改善圆柱的表面流场，抑制流动分离，能有效减小气动噪声,减弱甚至是消除振动，将流动分离点的位置由90°方位角处推迟到至少120°方位角处。

1.管道和激励器埋在结构内部，结构简单，可靠性高，易于实施，对气动结构破坏极小，使用范围广。

2.循环利用自由来流，不需要额外的气源，节省了空间，降低了电量消耗。

3.等离子体激励器具有尺寸小、重量低、反应迅速、频带响应宽等优点，能在短时间内生成一个比较好的气流回路。

附图说明

图1激励器示意图

图2未加激励器圆柱示意图

图3装有激励器的圆柱侧视图

图4未施加控制时流动示意图

图5施加控制时流动示意图

附图标记说明：1—正弦交流电源；2—上层电极；3—绝缘介质层；4—下层电极；5—电离产生的等离子体；6—圆柱体；7—第一缝道；8—第一喷气口；9—第一吸气口；10—激励器；11—第二喷气口；12—第二吸气口；13—第二缝道。

具体实施方式

参见图1—图5，本发明在圆柱迎风面设置喷气口，在背风面设置吸气口，同时在圆柱内部设置一个气流通道，连通喷气口和吸气口。喷气口、通道、吸气口构成气流循环回路，该通道的宽度可以在2至10mm内调节，具体宽度可根据激励器的电学参数(调节电压、频率、占空比)电压越高，宽度越宽；频率越高，宽度越宽，占空比越高，宽度越宽。

在圆柱表面喷气口至吸气口之间以及通道里布置若干个等离子体激励器以产生气流循环回路，同时可以根据不同的自由来流速度来调整激励器的几何参数(数量和位置)和电学参数(电压、频率、占空比)，以达到最佳的控制效果。自由来流速度越高，需要开启的激励器数量越多，电压、频率以及占空比也就越高。

工作时，气流沿喷气口从圆柱迎风面喷出，为圆柱迎风面表面的自由来流注入动量，增加了来流的速度，由于自由来流与喷气口喷出的气流掺混，增加了附面层的动量，克服了一定的逆压梯度，从而能使流动在较大的范围内附着在圆柱表面，能有效减小分离区，以达到增升减阻，减噪抗振的目的。主流中一部分气流在背风面的吸气口被吸入到管道中，经多个激励器的射流注入能量加速，从喷气口喷出，既而形成循环回路。这样就不用从外界引入新的气源，从而减少了能量的消耗，也避免需要安装引入气体的装置，节省了空间。

首先根据图1，电极是由紫铜片制成，1是正弦交流电源系统，2是上层电极，3是绝缘介质层，4是下层电极，5是电离产生的等离子体。上层电极和下层电极位于绝缘介质层的两侧，三者紧密安放，无间隙。上层电极接电源高压端，下层电极接电源低压端，同时接地。工作时，激励器对电极周围空气进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，如5所示，其中包含带负电的电子以及其他带正电的粒子和未被电离的中性分子，总体上保持电中性，同时在激励器的高压电场下诱导带电的粒子运动并撞击中性粒子进而产生出一道近壁面射流，射流速度可达数米每秒，方向是由上层电极指向下层电极，如图中箭头所示。例如，上下层电极都为2mm宽，长100mm，采用紫铜片，厚度为0.03mm，绝缘介质层采用3层的聚酰亚胺胶带，每层0.05mm厚，电源电压为9.8KV时，单个激励器产生的诱导速度可达3m/s。方向如图所示。同时，可改变电源的输出电压、频率和占空比等电学参数来改变产生的诱导速度。电压越高，诱导速度越高，频率越高，诱导速度越高，占空比越高，诱导速度越高。

图2为没有装激励器时的圆柱鸟瞰图，其中，1为沿展向敷设再圆柱表面的激励器，d1的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，d2的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，且d1＝d2；h的取值范围为10％圆柱直径到50％圆柱直径；缝道的径向厚度d3的取值范围为2-10mm。

图3为装有激励器的圆柱侧视图。6为整个圆柱，6、14为喷气口，9、15为吸气口，7、20为缝道，10-13、16-19为沿展向安装在圆柱表面喷气口至吸气口之间以及缝道里的若干个激励器。缝道的宽度在2至10mm，可以根据实际情况调节。激励器为矩形，长度由圆柱高的70％至100％，宽度可根据实际情况决定，厚度在0.5mm以内。喷气口和吸气口的开口方向应使得气流尽量贴近圆柱表面流动。

图4为未施加控制时速度示意图，从图中可以看出，气流在圆柱迎风面沿壁面流动，在中间位置附近分离。

图5为激励器工作时的速度示意图，径向的自由来流为x的正轴反方向，y方向为垂直于x轴向上的方向，方位角θ为圆柱表面任意一点与x正轴的夹角。0度是前缘驻点，由于自由来流与喷气口喷出的气流掺混，增加了附面层的动量，克服了逆压梯度，从而能使流动在方位角0度至120度的范围内附着在圆柱表面，不会很早就分离，能有效减小分离区，以达到增升减阻，减噪的目的。主流中一部分气流在背风面的吸气口被吸入到管道中，这时激励器在开启状态，激励器对电极周围的气流进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，其中包含带负电的电子以及其他带正电的粒子和未被电离的中性分子，总体上保持电中性，同时在激励器的高压电场下带电的粒子运动并撞击中性粒子进而将管道中的气流进行加速，经多个激励器注入能量加速，气流从喷气口喷出，既而形成循环回路。

同时可以根据不同的自由来流速度来调整激励器的几何参数(数量和位置)和电学参数(电压、频率、占空比)，以达到最佳的控制效果。速度越高，需要开启的激励器数量越多，电压、频率以及占空比也需要越高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可延缓流动分离的圆柱体，其特征在于，在圆柱体的侧壁上，沿轴线对称开有两个U型通槽，分别作为气体进入的第一缝道和第二缝道；圆柱体的端面上形成四个气口，分别定义为第一吸气口(9)、第一喷气口(8)、第二吸气口(12 )和第二喷气口(11 )，其中第一吸气口(9)和第一喷气口(8)为第一缝道的两个端口，第二吸气口(12 )和第二喷气口(11 )为第二缝道的两个端口；喷气口和吸气口的开口方向应使得气流尽量贴近圆柱表面流动；气流沿喷气口从圆柱迎风面喷出，由于自由来流与喷气口喷出的气流掺混，增加了附面层的动量，能使流动在较大的范围内附着在圆柱表面，减小分离，增升减阻，减噪抗振；主流中一部分气流在背风面的吸气口被吸入到管道中，经多个激励器的射流注入能量加速，从喷气口喷出，形成循环回路。

2.如权利要求1所述的一种可延缓流动分离的圆柱体，其特征在于，所述第一缝道的宽度设为d1，且d1的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，且d1＝d2。

3.如权利要求1所述的一种可延缓流动分离的圆柱体，其特征在于，所述第二缝道的宽度设为d2，且d2的取值范围为50％圆柱直径到90％圆柱直径，且d1＝d2。

4.如权利要求1所述的一种可延缓流动分离的圆柱体，其特征在于，所述第一缝道和第二缝道之间的径向距离设为h，且h的取值范围为10％圆柱直径到50％圆柱直径。

5.如权利要求1所述的一种可延缓流动分离的圆柱体，其特征在于，所述缝道的径向厚度设为d3，且d3的取值范围为2-10mm。

6.一种置于如权利要求1所述的一种可延缓流动分离的圆柱体的激励器，其特征在于，所述激励器包括电源(1)、上层电极(2)、绝缘介质层(3)和下层电极(4)；所述上层电极(2)和下层电极(4)分别位于绝缘介质层(3)的对应的两侧，且三者为间隙配合；上层电极(2)和电源(1)正极连接，下层电极(4)和电源(1)负极连接，上层电极(2)和下层电极(4)连接好后共同接地，上层电极暴露于空气中，下层电极包裹于绝缘介质中；激励器对电极周围空气进行电离，在绝缘的介质层的上方产生等离子体，其中包含带负电的电子以及其他带正电的粒子和未被电离的中性分子，总体上保持电中性，同时在激励器的高压电场下诱导带电的粒子运动并撞击中性粒子进而产生出一道近壁面射流。

7.如权利要求6所述的一种可延缓流动分离的圆柱体的激励器，其特征在于，所述绝缘介质层(3)采用聚酰亚胺胶带制成。

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