CN111688892A - 一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，涉及流动控制领域，包括安装于水下滑翔机机翼上表面前端的电磁流动控制作动器单元，水下滑翔机机翼上表面安装有电磁流动控制作动器单元的位置处依次交替开设有定常射流口和合成射流口；定常射流口处的下方设置有定常射流流动控制作动器单元，合成射流口下方设置有合成射流流动控制作动器单元；电磁流动控制作动器单元、定常射流流动控制作动器单元和合成射流流动控制作动器单元分别与信号处理及控制系统连接，信号处理及控制系统连接有传感器，传感器固定设置于水下滑翔机机翼上。本发明能够实现不同流动控制策略下水下滑翔机上不同部位的流动控制目标。

Description

一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统
技术领域
本发明涉及主动流动控制领域，特别是涉及一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统。
背景技术
水下滑翔机(Underwater Glider，UG)是一种利用净浮力和姿态角调节获得推进力的新型水下航行器。相比于传统水下航行器，水下滑翔机具有航程远、持续工作能力强和经济性好等优点。水下滑翔机作为一种水下无人智能移动平台，在探索海洋资源、海洋科学考察和军事等领域有着广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下滑翔机按照外形可分为传统回转体式和翼身融合式两类。由于回转体壳体外形不能像水翼一样提供非常高的升力，所以传统回转体式滑翔机在加装高展弦比水翼下的最大升阻比也只能达到5左右。而翼身融合式水下滑翔机由于具有更大的水翼面积能显著提高升阻比。
水下滑翔机滑翔比是决定其航程和经济性的关键因素之一，而滑翔比主要取决于水下滑翔机的升阻比。因而，升阻比对滑翔机航程和经济性至关重要。目前，翼身融合水下滑翔机通过外形优化设计升阻比可达15～20，然而不管外形怎么优化，在航行过程中由于流动分离现象的存在，导致阻力系数增加和升力系数减小，限制其升阻比的进一步提升。而且，仅依靠外形优化来提升水下滑翔机的升阻比会使得滑翔机内部空间狭窄，削弱其探测能力或者工作时间。因此，需要寻求一种不依靠外形优化来提升翼身融合水下滑翔机升阻特性的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现不同流动控制策略下水下滑翔机上不同部位的流动控制目标。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，包括安装于水下滑翔机机翼上表面前端的电磁流动控制作动器单元，所述水下滑翔机机翼上表面安装有所述电磁流动控制作动器单元的位置处依次交替开设有定常射流口和合成射流口；所述定常射流口处的下方设置有定常射流流动控制作动器单元，所述合成射流口下方设置有合成射流流动控制作动器单元；所述电磁流动控制作动器单元、定常射流流动控制作动器单元和合成射流流动控制作动器单元分别与信号处理及控制系统连接，所述信号处理及控制系统连接有传感器，所述传感器固定设置于所述水下滑翔机机翼上。
可选的，所述信号处理及控制系统包括信号接收单元、信号处理单元和策略库单元；所述信号接收单元用于接收各传感器上传的流场参数并存储；信号处理单元用于调用信号接收单元存储的流场参数并转码、计算等；策略库单元用于根据各控制数据输出定常射流作动器单元的控制策略。
可选的，所述电磁流动控制作动器单元包括安装于水下滑翔机机翼上表面的电磁激活板；所述电磁激活板包括多个并列设置的电磁条，所述电磁条的磁极正负交替设置。
可选的，所述定常射流流动控制作动器单元包括设置于水下滑翔机机翼内部后端的微型喷水泵组，所述微型喷水泵组连通有储水仓，所述储水仓底部连通有微型潜水泵，所述微型潜水泵和所述微型喷水泵组分别与控制单元连接；所述微型喷水泵组连接有固定喷口，所述固定喷口端部与定常射流口连通。
可选的，所述合成射流流动控制作动器单元包括设置于水下滑翔机机翼内前端的机械双腔振动式合成射流激励器；所述机械双腔振动式合成射流激励器电连接有控制单元，所述控制单元固定设置于水下滑翔机内。所述机械双腔振动式合成射流激励器包括固定连接且内部连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体的水平截面为“8”字型结构，所述第一腔体和第二腔体内均分别开设有圆形的空腔，且所述第一腔体内的空腔直径大于所述第二腔体内的空腔直径，所述第一腔体内的空腔高度大于所述第二腔体内的空腔高度；所述第一腔体和第二腔体连接处的内壁底部开设有连通口，所述第一腔体两个内壁之间连接有水平设置的活塞导轨，所述活塞导轨上套设有与所述第一腔体内顶壁接触的机械式往复活塞；所述第二腔体顶部开设有第一喷口，所述第一腔体顶部开设有第二喷口。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过在水下滑翔机不同部位布置定常射流流动控制装置器、合成射流流动控制装置器和电磁流动控制装置器形成主动流动控制系统，实现不同流动控制策略下水下滑翔机上不同部位的流动控制目标；再通过控制系统实施多目标控制，使得飞行器上各部位流流动控制装置器协调工作并发挥最大效率，最终实现翼身融合水下滑翔机的流动控制，契合解决工程实际问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统俯视示意图；
图2为本发明用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统安装示意图；
图3为本发明工作原理示意图；
其中，1为水下滑翔机机翼、2为电磁流动控制作动器单元、3为定常射流口、4为合成射流口、5为定常射流流动控制作动器单元、6为合成射流流动控制作动器单元、7为信号处理及控制系统、8为传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现不同流动控制策略下水下滑翔机上不同部位的流动控制目标。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
可以应用于水下滑翔机的主动流动控制技术主要包括:定常射流主动流动控制；合成射流主动流动控制；电磁主动流动控制。他们分别是通过定常射流施加扰动、合成射流施加扰动、电磁力重构调整流体边界层结构，实现增升减阻、改善流场、抑制噪声等目的。由于不同的流动控制原理，几种主动流动控制技术在不同工况下呈现出不同的控制效果和利弊。因此有必要基于不同的流动控制策略设计一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统。基于此，本发明提供一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，如图1-图3所示，包括安装于水下滑翔机机翼1上表面前端的电磁流动控制作动器单元2，水下滑翔机机翼1上表面安装有电磁流动控制作动器单元2的位置处依次交替开设有定常射流口3和合成射流口4；定常射流口3处的下方设置有定常射流流动控制作动器单元5，合成射流口4下方设置有合成射流流动控制作动器单元6；电磁流动控制作动器单元2、定常射流流动控制作动器单元5和合成射流流动控制作动器单元6分别与信号处理及控制系统7连接，信号处理及控制系统7连接有传感器8，传感器8固定设置于水下滑翔机机翼1上。图2和图3中箭头方向为水中来流方向。
具体的，信号处理及控制系统7包括信号接收单元、信号处理单元和策略库单元；信号接收单元用于接收各传感器上传的流场参数并存储；信号处理单元用于调用信号接收单元存储的流场参数并转码、计算等；策略库单元用于根据各控制数据输出定常射流作动器单元的控制策略。电磁流动控制作动器单元2包括安装于水下滑翔机机翼1上表面的电磁激活板；电磁激活板包括多个并列设置的电磁条，电磁条的磁极正负交替设置。定常射流流动控制作动器单元5包括设置于水下滑翔机机翼1内部后端的微型喷水泵组，微型喷水泵组连通有储水仓，储水仓底部连通有微型潜水泵，微型潜水泵和微型喷水泵组分别与控制单元连接；微型喷水泵组连接有固定喷口，固定喷口端部与定常射流口连通。合成射流流动控制作动器单元6包括设置于水下滑翔机机翼内前端的机械双腔振动式合成射流激励器；机械双腔振动式合成射流激励器电连接有控制单元，控制单元固定设置于水下滑翔机内。
本发明根据控制策略将利用POD方法得到的水下滑翔机流场降阶模型ROM结合水下滑翔机表面压力分布，基于水下滑翔机基本水动力特性研究所获取的流动分离和水动力特性的变化规律及变化机理，以设定流动分离和升阻比改善程度为设计判断条件，进行水下滑翔机闭环主动流动控制设计。采用定常射流、合成射流及电磁流动控制共同构成水下滑翔机主动流动控制系统。确定常射流喷口、合成射流喷口、电磁流动控制工作件位置布置数量、工作参数等。
水下滑翔机机翼1上表面安装了多种流作动器用于抑制边界层分离、消除涡街，达到减阻减振，提升翼身融合水下滑翔机升阻特性的目的。在滑翔机机身上布置的流动控制装置主要包括：流场参数获取单元，控制单元、合成射流流动控制作动器单元、定常射流流动控制作动器单元及电磁流动控制作动器单元。
流场参数获取单元的流场参数为各种类型的传感器，例如速度传感器、压力传感器等，流场参数获取单元布置在水下滑翔机上与对应定常射流流动控制作动器单元相邻的位置，用于获取水下滑翔机上对应定常射流流动控制作动器单元位置的流场参数并上传至信号处理及控制系统7。
信号处理及控制系统7包括信号接收单元，用于接收各流场参数获取单元上传的流场参数并存储；信号处理单元，调用信号接收单元存储的流场参数并处理，处理包括转码、计算等；策略库单元，根据各控制数据输出定常射流流动控制作动器单元的控制策略。
定常射流流动控制作动器单元5依靠大量数值计算及实验探究获得数据库，根据水下滑翔机的特征数据、水下滑翔机工况等匹配对应的控制策略，具体到飞行器上各个位置定常射流流动控制作动器的喷流偏角和喷流动量系数等工作参数。
合成射流流动控制作动器单元6依靠大量数值计算及实验探究获得数据库，根据水下滑翔机的特征数据、水下滑翔机工况等匹配对应的控制策略，具体到飞行器上各个位置合成射流流动控制作动器以的喷流偏角和喷流动量系数等工作参数。合成射流激励器是合成射流流动控制作动器的主要功能部件。合成射流激励器结构主要由有射流孔的激励器腔体和振动部件组成。振动部件由金属薄膜、压电材料组成，压电材料推动金属薄膜做往复性周期运动，在射流孔处形成射流涡。
电磁流动控制作动器单元2包括电磁激活板。将电磁激活板包覆于翼身融合水下滑翔机的表面。通过电磁激活板施加电磁场，可在滑翔机表面附近的流体边界层内形成电磁体积力。当形成的电磁力方向平行于流体运动方向，可使流体加速，从而抑制边界层分离、消除涡街，达到减阻减振提升翼身融合水下滑翔机升阻特性的目的。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，其特征在于：包括安装于水下滑翔机机翼上表面前端的电磁流动控制作动器单元，所述水下滑翔机机翼上表面安装有所述电磁流动控制作动器单元的位置处依次交替开设有定常射流口和合成射流口；所述定常射流口处的下方设置有定常射流流动控制作动器单元，所述合成射流口下方设置有合成射流流动控制作动器单元；所述电磁流动控制作动器单元、定常射流流动控制作动器单元和合成射流流动控制作动器单元分别与信号处理及控制系统连接，所述信号处理及控制系统连接有传感器，所述传感器固定设置于所述水下滑翔机机翼上。
2.根据权利要求1所述的用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，其特征在于：所述信号处理及控制系统包括信号接收单元、信号处理单元和策略库单元；所述信号接收单元用于接收各传感器上传的流场参数并存储；信号处理单元用于调用信号接收单元存储的流场参数并转码、计算等；策略库单元用于根据各控制数据输出定常射流作动器单元的控制策略。
3.根据权利要求1所述的用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，其特征在于：所述电磁流动控制作动器单元包括安装于水下滑翔机机翼上表面的电磁激活板；所述电磁激活板包括多个并列设置的电磁条，所述电磁条的磁极正负交替设置。
4.根据权利要求1所述的用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，其特征在于：所述定常射流流动控制作动器单元包括设置于水下滑翔机机翼内部后端的微型喷水泵组，所述微型喷水泵组连通有储水仓，所述储水仓底部连通有微型潜水泵，所述微型潜水泵和所述微型喷水泵组分别与控制单元连接；所述微型喷水泵组连接有固定喷口，所述固定喷口端部与定常射流口连通。
5.根据权利要求1所述的用于翼身融合水下滑翔机的主动流动控制系统，其特征在于：所述合成射流流动控制作动器单元包括设置于水下滑翔机机翼内前端的机械双腔振动式合成射流激励器；所述机械双腔振动式合成射流激励器电连接有控制单元，所述控制单元固定设置于水下滑翔机内。
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