CN112896492B - 一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，包括微型涡流发生器本体以及加热驱动单元；所述微型涡流发生器本体采用具有双行程记忆效应的形状记忆合金制作而成，利用形状记忆合金的双行程记忆效应实现微型涡流发生器本体的变形；所述微型涡流发生器本体包括固定区域、抬起区域和变形区域；所述固定区域和所述抬起区域之间通过所述变形区域连接过渡。本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器具有以下优点：本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，为一种主动流动控制的涡流发生器，能够有效推迟失速、增加升力以及减小阻力，从而显著提升飞行器气动性能。

Description

一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器

技术领域

本发明涉及一种涡流发生器，具体涉及一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器。

背景技术

传统的涡流发生器是一种安装于飞机机翼上的被动流动控制装置，常用于边界层分离流动的控制，其结构主要为尖楔、三角形、叶片式、机翼式、梯形、叶栅等。通过涡流发生器的弹出及收起过程中的变形，改善飞行器的失速特性，提高飞行器的性能的效果。

被动流动控制方式的涡流发生器，可以推迟失速，增加升力以及减小阻力，改善飞行器的失速特性，但是一直存在于飞行器表面，会破坏飞行器巡航飞行时的气动特性，增加油耗，由此导致飞行器气动性能的下降。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，包括微型涡流发生器本体以及加热驱动单元；

所述微型涡流发生器本体采用具有双行程记忆效应的形状记忆合金制作而成，利用形状记忆合金的双行程记忆效应实现微型涡流发生器本体的变形；所述微型涡流发生器本体包括固定区域、抬起区域和变形区域；所述固定区域和所述抬起区域之间通过所述变形区域连接过渡；

所述加热驱动单元用于对所述固定区域进行加热；在形状记忆合金低临界温度时，微型涡流发生器本体表面平整，固定区域、抬起区域和变形区域处于同一平面，此时为微型涡流发生器的初始状态；当通过所述加热驱动单元对所述固定区域进行加热时，利用形状记忆合金的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，从而导致抬起区域抬起；当达到形状记忆合金高临界温度时，变形区域完成变形，抬起区域抬起高度不再变化，此时为微型涡流发生器的工作状态，实现涡流发生器的效果；当所述加热驱动单元停止加热时，变形区域自然冷却，当温度低到一定值时，变形区域向相反方向发生形变，从而导致抬起区域回落，直到固定区域、抬起区域和变形区域恢复到同一平面，恢复初始状态。

优选的，所述基于形状记忆合金的微型涡流发生器，包括第一类涡流发生器和第二类涡流发生器。

优选的，对于所述第一类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向相同；具体的，所述第一类涡流发生器包括固定区域、抬起区域和变形区域；所述固定区域和所述抬起区域之间通过所述变形区域连接过渡；

所述第一类涡流发生器的结构为：

第1圆(E)、第2圆(F)和第3圆(G)的圆心共轴，并且圆心的连线形成第一类涡流发生器的对称轴；第1圆(E)、第2圆(F)和第3圆(G)的半径递增；设定端点O，过端点O向左侧做第1圆(E)的切线，与第1圆(E)的交点为点A₆；过端点O向右侧做第1圆(E)的切线，与第1圆(E)的交点为点B₆；端点O、点A₆和点B₆的连线形成三角形区域；

第2圆(F)与第1圆(E)的左侧交点为点A₅；第2圆(F)与第1圆(E)的右侧交点为点B₅；点A₆、点A₅、点B₅和点B₆的连线形成第1弧形区域；

第3圆(G)与第2圆(F)的左侧交点为点A₄；第3圆(G)与第2圆(F)的右侧交点为点B₄；点A₅、点A₄、点B₄和点B₅的连线形成第2弧形区域；

过第3圆(G)的圆心作一条水平线，与第3圆(G)的左侧相交于点A₃；与第3圆(G)的右侧相交于点B₃；点A₄、点A₃、点B₃和点B₄的连线形成第3弧形区域；

作一条第3圆(G)的下侧水平切线，过点A₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点A₇，过点B₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点B₇；点A₃点B₃点B₇和点A₇围成第1梯形区域(A₃B₃B₇A₇)；其中，点A₇点B₇的连线为水平线，且长于点A₃点B₃的连线；

延长点A₃点A₇的连线至点A₂；对称延长点B₃点B₇的连线至点B₂；点A₇点B₇点B₂和点A₂围成第2梯形区域(A₇B₇B₂A₂)；其中，点A₂点B₂的连线为水平线，且长于点A₇点B₇的连线；

在点A₂的下方选取点A₁，在点B₂的下方选取点B₁；点A₂点B₂点B₁和点A₁围成第3梯形区域(A₂B₂B₁A₁)；其中，点A₁点B₁的连线为水平线，且长于点A₂点B₂的连线；

三角形区域、第1弧形区域、第2弧形区域、第3弧形区域和第1梯形区域形成的区域为抬起区域；

第2梯形区域为变形区域；第3梯形区域为固定区域。

优选的，对于三角形区域，顶角角度范围为10°～60°；其中，顶角即为端点O位置的角度。

优选的，第1梯形区域的梯形角等于第2梯形区域的梯形角；第2梯形区域的梯形角小于第3梯形区域的梯形角。

优选的，对于所述第二类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向垂直，为左右对称的类似叶片构型；

具体的，所述第二类涡流发生器包括固定区域、第1抬起区域、第1变形区域、第2抬起区域和第2变形区域；所述固定区域的左侧和所述第1抬起区域之间通过所述第1变形区域连接过渡；所述固定区域的右侧和所述第2抬起区域之间通过所述第2变形区域连接过渡；其中，所述第1抬起区域和所述第2抬起区域为对称结构；所述第1变形区域和所述第2变形区域为对称结构；

其中，所述固定区域为等腰梯形区域(FHGE)；其中，点H和点G的连线形成等腰梯形区域的上底边HG；点F和点E的连线形成等腰梯形区域的下底边FE；点H和点F的连线形成等腰梯形区域的左侧腰HF；点G和点E的连线形成等腰梯形区域的右侧腰GE；

所述第1变形区域为第一平行四边形区域(A₁FHA₄)，位于所述等腰梯形区域(FHGE)的左侧，其结构为：以左侧腰HF为一条平行边HF，延长点G到点H的连线至点A₄，使点H和点A₄的连线形成一条平行边HA₄；等长度延长点E到点F的连线至点A₁，使点F和点A₁的连线形成一条平行边FA₁；点A₄和点A₁的连线形成一条平行边A₄A₁；其中，平行边A₄A₁和平行边HF相互平行；平行边HA₄和平行边FA₁相互平行；

所述第1抬起区域为第一扇形区域(A₁A₄A₂)，位于所述第一平行四边形区域(A₁FHA₄)的左侧，其结构为：以点A1为扇形的圆心点，以平行边A₄A₁为半径，从点A₄作圆弧到点A₂，从而形成第一扇形区域(A₁A₄A₂)；

所述第2变形区域为第二平行四边形区域(B₁EGB₄)，位于所述等腰梯形区域(FHGE)的右侧，其结构为：以右侧腰GE为一条平行边GE，延长点H到点G的连线至点B₄，使点G和点B₄的连线形成一条平行边GB₄；等长度延长点F到点E的连线至点B₁，使点E和点B₁的连线形成一条平行边EB₁；点B₄和点B₁的连线形成一条平行边B₄B₁；其中，平行边B₄B₁和平行边GE相互平行；平行边GB₄和平行边EB₁相互平行；

所述第2抬起区域为第二扇形区域(B₁B₄B₂)，位于所述第二平行四边形区域(B₁EGB₄)的右侧，其结构为：以点B₁为扇形的圆心点，以平行边B₄B₁为半径，从点B₄作圆弧到点B₂，从而形成第二扇形区域(B₁B₄B₂)。

优选的，对于所述等腰梯形区域(FHGE)，上底边HG和下底边FE的长度比为0.95～0.15；梯形角范围为20°～70°；

对于所述第一平行四边形区域(A₁FHA₄)和所述第二平行四边形区域(B₁EGB₄)，长边和短边的长度比为2～15；

对于所述第一扇形区域(A₁A₄A₂)和第二扇形区域(B₁B₄B₂)，其圆心角范围为50°～150°，其从扇形的圆心点向圆弧方向，呈现不规则的沟槽状。

优选的，对于所述第一扇形区域(A₁A₄A₂)，从圆心点A₁向圆弧A₂A₄方向，呈现不规则的沟槽状，具体为：

沿A₁A₂作剖面，按从A₁到A₂方向，不规则的沟槽状剖面依次包括矩形区域(D₁D₂F₈F₁)、第1-1弧形区域(F₂F₁F₈F₇)、第1-2弧形区域(F₃F₂F₇F₆)、第1-3弧形区域(F₄F₃F₆F₅)和顶部三角区域(A₂F₄F₅)；

其中：对于所述矩形区域(D₁D₂F₈F₁)，其矩形边D₁D₂的中点为圆心点A₁，圆心点A₁和顶部三角区域(A₂F₄F₅)的顶点A₂的连线为连线A₁A₂，为不规则的沟槽状剖面的对称线；

第1-3圆(O₃)、第1-2圆(O₂)和第1-1圆(O₁)的圆心共轴，并且圆心的连线与对称线重合；第1-3圆(O₃)、第1-2圆(O₂)和第1-1圆(O₁)的半径递增；

对于第1-3圆(O₃)，过其圆心O₃作一条平行于矩形边D₁D₂的水平线，与第1-3圆(O₃)的左侧相交于点F₄，与第1-3圆(O₃)的右侧相交于点F₅；顶点A₂、点F₄和点F₅的连线形成顶部三角区域(A₂F₄F₅)；

第1-2圆(O₂)与第1-3圆(O₃)的左侧交点为点F₃；第1-2圆(O₂)与第1-3圆(O₃)的右侧交点为点F₆；点F₄、点F₃、点F₆和点F₅的连线形成第1-3弧形区域(F₄F₃F₆F₅)；

第1-1圆(O₁)与第1-2圆(O₂)的左侧交点为点F₂；第1-1圆(O₁)与第1-2圆(O₂)的右侧交点为点F₇；点F₃、点F₂、点F₇和点F₆的连线形成第1-2弧形区域(F₃F₂F₇F₆)；

过点D₁作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆(O₁)的左侧上方相交于点F₁；过点D₂作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆(O₁)的右侧上方相交于点F₈；点F₂、点F₁、点F₈和点F₇的连线形成第1-1弧形区域(F₂F₁F₈F₇)；

点D₁、点D₂、点F₈和点F₁的连线形成矩形区域(D₁D₂F₈F₁)。

优选的，顶部三角区域(A₂F₄F₅)的顶角，即∠F₄A₂F₅为10°～60°；

第1-3圆(O₃)的半径，小于第1-2圆(O₂)的半径；

第1-2圆(O₂)的半径，小于第1-1圆(O₁)的半径；

第1-1圆(O₁)的半径，大于矩形区域(D₁D₂F₈F₁)的矩形边D₁D₂的长度。

优选的，所述加热驱动单元包括直流电源、热电偶、加热丝、电流表、导线和导热胶；

通过导热胶，将加热丝和热电偶分别黏贴在微型涡流发生器的固定区域的两侧；加热丝通过导线串联电流表和直流电源，实现对固定区域的加热；

热电偶通过导线连接直流电源，得到热电偶的工作电源，进而实现实时测量固定区域的表面温度；

其工作原理为：

通过加热丝实现固定区域的加热，利用固定区域自身的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，导致抬起区域的抬起；

当停止加热时，自然冷却，变形区域发生反向形变，导致已抬起的抬起区域恢复水平初始形状。

本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器具有以下优点：

本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，为一种主动流动控制的涡流发生器，能够有效推迟失速、增加升力以及减小阻力，从而显著提升飞行器气动性能。

附图说明

图1为本发明提供的第一类涡流发生器的俯视图；

图2为本发明提供的第一类涡流发生器的侧视图；

图3为本发明提供的第二类涡流发生器的俯视图；

图4为本发明提供的第二类涡流发生器的侧视图；

图5为本发明提供的第一类涡流发生器形成过程示意图；

图6为本发明提供的第一类涡流发生器的形状图；

图7为本发明提供的第二类涡流发生器形成过程示意图；

图8为本发明提供的第二类涡流发生器的俯视图；

图9为本发明提供的第二类涡流发生器的抬起区域的形成过程示意图；

图10为本发明提供的第二类涡流发生器的抬起区域的沿A₁A₂的剖面图；

图11为本发明提供的第二类涡流发生器的抬起区域的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明核心思想是：利用形状记忆合金的特性实现涡流发生器由传统的被动控制转换为主动控制，由此提出一种用于边界层分离流动控制的基于形状记忆合金的微型涡流发生器，并采用一种加热驱动方法，实现微型涡流发生器的形变。

本发明提供一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，包括微型涡流发生器本体以及加热驱动单元；

微型涡流发生器本体采用具有双行程记忆效应的形状记忆合金制作而成，利用形状记忆合金的双行程记忆效应实现微型涡流发生器本体的变形；微型涡流发生器本体包括固定区域、抬起区域和变形区域；固定区域和抬起区域之间通过变形区域连接过渡；

加热驱动单元用于对固定区域进行加热；在形状记忆合金低临界温度时，微型涡流发生器本体表面平整，固定区域、抬起区域和变形区域处于同一平面，此时为微型涡流发生器的初始状态；当通过加热驱动单元对固定区域进行加热时，利用形状记忆合金的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，从而导致抬起区域抬起；当达到形状记忆合金高临界温度时，变形区域完成变形，抬起区域抬起高度不再变化，此时为微型涡流发生器的工作状态，实现涡流发生器的效果；当加热驱动单元停止加热时，变形区域自然冷却，当温度低到一定值时，变形区域向相反方向发生形变，从而导致抬起区域回落，直到固定区域、抬起区域和变形区域恢复到同一平面，恢复初始状态。

具体的，本发明采用的形状记忆合金(SMA)，是一种能够记忆特定几何形状并在温度变化的驱动下自动复原的合金，是一种新型功能材料，针对双行程记忆效应的形状记忆合金，其在两个临界温度点内发生形变，在临界点温度外维持两种不同的形状。根据飞行条件和翼面载荷的变化，通过形状记忆合金可以实现机翼或翼型的大尺度变形、扭转，实现了飞行器性能的大幅提升。

加热驱动单元包括直流电源(蓄电池)、热电偶、加热丝、电流表、导线和导热胶；

直流电源主要是提供加热电源，并且给出电压值。

加热丝主要是对微型涡流发生器进行加热作用，实现涡流发生器的形变；

热电偶可采用薄膜热电偶，主要用于测量加热丝加热后的温度。

电流表用于测量整个回路中的电流，便于计算加热过程中消耗的功率。

导热胶可采用高熔点强力胶，用于实现加热丝和微型涡流发生器的连接，导线将整个电路连接起来。

具体的，通过导热胶，将加热丝和热电偶分别黏贴在微型涡流发生器的固定区域的两侧；加热丝通过导线串联电流表和直流电源，实现对固定区域的加热；

热电偶通过导线连接直流电源，得到热电偶的工作电源，进而实现实时测量固定区域的表面温度；

其工作原理为：

通过加热丝实现固定区域的加热，利用固定区域自身的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，导致抬起区域的抬起；

当停止加热时，自然冷却，变形区域发生反向形变，导致已抬起的抬起区域恢复水平初始形状。

因此，通过本发明提供的加热驱动单元，实现微型涡流发生器的加热，改变其温度，实现微型涡流发生器的变形和不变形的控制。

基于以上构思，为了更好地实现涡流发生器的弹出及收起过程中的变形，基于形状记忆合金设计了两类微型涡流发生器，每一类涡流发生器都分为固定区域、抬起区域和变形区域三个部分。下面分别对第一类涡流发生器和第二类涡流发生器详细介绍：

实施例一：第一类涡流发生器

对于第一类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向相同；具体的，第一类涡流发生器包括固定区域、抬起区域和变形区域；固定区域和抬起区域之间通过变形区域连接过渡；

如图1和图2所示，涡流发生器初始形态是固定区域、抬起区域和变形区域三个部分处于同一平面内，当对涡流发生器进行加热时，变形区域发生变形，从而带动抬起区域向上抬起，达到一定温度时停止变形。若停止加热，则当温度低到一定值时，变形区域会向相反方向发生形变，直至固定区域、抬起区域和变形区域三个部分处于同一平面内的形态，即恢复到初始形态。

图1和图2中，抬起方向与气流方向相同，抬起区域形成类似楔形，抬起区域由顶端的三角形、底端的梯形及中部的三个不同半径圆部分弧长构成。

在具体实现上，第一类涡流发生器由固定区域、变形区域和抬起区域构成，基于一个长方形的形状记忆合金板切割而成，其长宽比大于1.5，长厚比大于10。固定区域和变形区域都是梯形，变形区域的梯形角小于固定区域。抬起区域为三圆相交外形及顶端三角形，其中三个圆的直径依次减小，最大圆的直径大于抬起区域梯形的上底，最小圆的直径大于抬起区域三角形的底边，三角形顶角角度范围：10°～60°。

第一类涡流发生器的结构为：

参考图6，第1圆E、第2圆F和第3圆G的圆心共轴，并且圆心的连线形成第一类涡流发生器的对称轴；第1圆E、第2圆F和第3圆G的半径递增；设定端点O，过端点O向左侧做第1圆E的切线，与第1圆E的交点为点A₆；过端点O向右侧做第1圆E的切线，与第1圆E的交点为点B₆；端点O、点A₆和点B₆的连线形成三角形区域；

第2圆F与第1圆E的左侧交点为点A₅；第2圆F与第1圆E的右侧交点为点B₅；点A₆、点A₅、点B₅和点B₆的连线形成第1弧形区域；

第3圆G与第2圆F的左侧交点为点A₄；第3圆G与第2圆F的右侧交点为点B₄；点A₅、点A₄、点B₄和点B₅的连线形成第2弧形区域；

过第3圆G的圆心作一条水平线，与第3圆G的左侧相交于点A₃；与第3圆G的右侧相交于点B₃；点A₄、点A₃、点B₃和点B₄的连线形成第3弧形区域；

作一条第3圆G的下侧水平切线，过点A₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点A₇，过点B₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点B₇；点A₃点B₃点B₇和点A₇围成第1梯形区域A₃B₃B₇A₇；其中，点A₇点B₇的连线为水平线，且长于点A₃点B₃的连线；

延长点A₃点A₇的连线至点A₂；对称延长点B₃点B₇的连线至点B₂；点A₇点B₇点B₂和点A₂围成第2梯形区域A₇B₇B₂A₂；其中，点A₂点B₂的连线为水平线，且长于点A₇点B₇的连线；

在点A₂的下方选取点A₁，在点B₂的下方选取点B₁；点A₂点B₂点B₁和点A₁围成第3梯形区域A₂B₂B₁A₁；其中，点A₁点B₁的连线为水平线，且长于点A₂点B₂的连线；

三角形区域、第1弧形区域、第2弧形区域、第3弧形区域和第1梯形区域形成的区域为抬起区域；

第2梯形区域为变形区域；第3梯形区域为固定区域。

其中，对于三角形区域，顶角角度范围为10°～60°；其中，顶角即为端点O位置的角度。

第1梯形区域的梯形角等于第2梯形区域的梯形角；第2梯形区域的梯形角小于第3梯形区域的梯形角。

第一类涡流发生器的制作过程为：

参考图5，利用线切割机将0.5mm厚的形状记忆合金板切割为7mm×15mm的方形板，其长宽比为2.14，长厚比为30。假定方形板四个角的标记及坐标分别为A₁(-3.5,0)、B₁(3.5,0)、C(-3.5,15)及D(3.5,15)。选取两个点A₂(-3,4.5)和B₂(3,4.5)，连线A₁和A₂、B₁和B₂。过点E(0,12)做半径为1mm的圆，过点F(0,10.5)做半径为1.5mm的圆，两个圆的相交位置分别是A₅和B₅。过点G(0,9)做半径为2mm的圆，与半径为1.5mm的圆的相交位置分别是A₄和B₄。在半径为2mm的圆弧上选取两个点A₃(-2,9)和B₃(2,9)，连线A₂和A₃、B₂和B₃。选择点O(0,15)，做半径为1mm圆的切线，分别相交于A₆和B₆，∠A₆OB₆为38.9°。从O点开始，顺时针方向沿着B₆点、B₅点、B₄点、B₃点、B₂点、B₁点、A₁点、A₂点、A₃点、A₄点、A₅点、A₆点、O点进行剪裁，其中B₆点到B₅点、B₅点到B₄点、B₄点到B₃点及A₆点到A₅点、A₅点到A₄点、A₄点到A₃点是沿着圆弧进行剪裁，其余都是按照直线进行剪裁。各点位置及裁剪后的涡流发生器外形如图5所示。这里A₁点、A₂点、B₂点及B₁点构成区域是固定区域，O点、A₇点、B₇点形成的区域为抬起区域(长度约9mm)，其余为变形区域。抬起高度(O点位置相对于固定区域平面)约3～6mm，取决于形状记忆合金对变形区域的训练程度。

实施例二：第二类涡流发生器

对于第二类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向垂直，为左右对称的类似叶片构型；

具体的，结合图3和图4，第二类涡流发生器包括固定区域、第1抬起区域、第1变形区域、第2抬起区域和第2变形区域；固定区域的左侧和第1抬起区域之间通过第1变形区域连接过渡；固定区域的右侧和第2抬起区域之间通过第2变形区域连接过渡；其中，第1抬起区域和第2抬起区域为对称结构；第1变形区域和第2变形区域为对称结构；

参考图3和图4，抬起方向与气流方向相垂直，抬起区域位于固定区域两侧，设计为左右对称的类似叶片构型。抬起区域剖面形状由顶端三角形、底端的长方形及中部的三个不同半径圆部分弧长构成。

本发明中，第二类涡流发生器与第一类涡流发生器的区别仅是抬起的方向与气流方向存在差异，换言之，涡流发生器在气流中的摆放位置或方位存在差异，而具体实现原理类似。

具体的，第二类涡流发生器基于一个长方形的形状记忆合金板切割而成，其长宽比大于3，长厚比大于15。固定区域为梯形，变形区域是两个平行四边形，抬起区域是不规则沟槽状的扇形。固定区域梯形上底与下底之比范围：0.95～0.15，梯形角范围：20°～70°。变形区域的平行四边形相邻长短边之比范围：2～15。扇形抬起区域的圆心角范围：50°～150°。扇形区域表面呈现不规则的沟槽状，从扇形区域的圆心点开始，依次呈现长方形、三个直径依次减小的圆相交而成的圆弧及顶端的三角形，其中三角形顶角角度范围：10°～60°。

对于第二类涡流发生器，固定区域为等腰梯形区域FHGE；其中，点H和点G的连线形成等腰梯形区域的上底边HG；点F和点E的连线形成等腰梯形区域的下底边FE；点H和点F的连线形成等腰梯形区域的左侧腰HF；点G和点E的连线形成等腰梯形区域的右侧腰GE；

第1变形区域为第一平行四边形区域A₁FHA₄，位于等腰梯形区域FHGE的左侧，其结构为：以左侧腰HF为一条平行边HF，延长点G到点H的连线至点A₄，使点H和点A₄的连线形成一条平行边HA₄；等长度延长点E到点F的连线至点A₁，使点F和点A₁的连线形成一条平行边FA₁；点A₄和点A₁的连线形成一条平行边A₄A₁；其中，平行边A₄A₁和平行边HF相互平行；平行边HA₄和平行边FA₁相互平行；

第1抬起区域为第一扇形区域A₁A₄A₂，位于第一平行四边形区域A₁FHA₄的左侧，其结构为：以点A1为扇形的圆心点，以平行边A₄A₁为半径，从点A₄作圆弧到点A₂，从而形成第一扇形区域A₁A₄A₂；

第2变形区域为第二平行四边形区域B₁EGB₄，位于等腰梯形区域FHGE的右侧，其结构为：以右侧腰GE为一条平行边GE，延长点H到点G的连线至点B₄，使点G和点B₄的连线形成一条平行边GB₄；等长度延长点F到点E的连线至点B₁，使点E和点B₁的连线形成一条平行边EB₁；点B₄和点B₁的连线形成一条平行边B₄B₁；其中，平行边B₄B₁和平行边GE相互平行；平行边GB₄和平行边EB₁相互平行；

第2抬起区域为第二扇形区域B₁B₄B₂，位于第二平行四边形区域B₁EGB₄的右侧，其结构为：以点B₁为扇形的圆心点，以平行边B₄B₁为半径，从点B₄作圆弧到点B₂，从而形成第二扇形区域B₁B₄B₂。

其中，对于等腰梯形区域FHGE，上底边HG和下底边FE的长度比为0.95～0.15；梯形角范围为20°～70°；

对于第一平行四边形区域A₁FHA₄和第二平行四边形区域B₁EGB₄，长边和短边的长度比为2～15；

对于第一扇形区域A₁A₄A₂和第二扇形区域B₁B₄B₂，其圆心角范围为50°～150°，其从扇形的圆心点向圆弧方向，呈现不规则的沟槽状。

对于第一扇形区域A₁A₄A₂，从圆心点A₁向圆弧A₂A₄方向，呈现不规则的沟槽状，具体为：

沿A₁A₂作剖面，按从A₁到A₂方向，不规则的沟槽状剖面依次包括矩形区域D₁D₂F₈F₁、第1-1弧形区域F₂F₁F₈F₇、第1-2弧形区域F₃F₂F₇F₆、第1-3弧形区域F₄F₃F₆F₅和顶部三角区域A₂F₄F₅；

其中：对于矩形区域D₁D₂F₈F₁，其矩形边D₁D₂的中点为圆心点A₁，圆心点A₁和顶部三角区域A₂F₄F₅的顶点A₂的连线为连线A₁A₂，为不规则的沟槽状剖面的对称线；

第1-3圆O₃、第1-2圆O₂和第1-1圆O₁的圆心共轴，并且圆心的连线与对称线重合；第1-3圆O₃、第1-2圆O₂和第1-1圆O₁的半径递增；

对于第1-3圆O₃，过其圆心O₃作一条平行于矩形边D₁D₂的水平线，与第1-3圆O₃的左侧相交于点F₄，与第1-3圆O₃的右侧相交于点F₅；顶点A₂、点F₄和点F₅的连线形成顶部三角区域A₂F₄F₅；

第1-2圆O₂与第1-3圆O₃的左侧交点为点F₃；第1-2圆O₂与第1-3圆O₃的右侧交点为点F₆；点F₄、点F₃、点F₆和点F₅的连线形成第1-3弧形区域F₄F₃F₆F₅；

第1-1圆O₁与第1-2圆O₂的左侧交点为点F₂；第1-1圆O₁与第1-2圆O₂的右侧交点为点F₇；点F₃、点F₂、点F₇和点F₆的连线形成第1-2弧形区域F₃F₂F₇F₆；

过点D₁作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆O₁的左侧上方相交于点F₁；过点D₂作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆O₁的右侧上方相交于点F₈；点F₂、点F₁、点F₈和点F₇的连线形成第1-1弧形区域F₂F₁F₈F₇；

点D₁、点D₂、点F₈和点F₁的连线形成矩形区域D₁D₂F₈F₁。

其中，顶部三角区域A₂F₄F₅的顶角，即∠F₄A₂F₅为10°～60°；

第1-3圆O₃的半径，小于第1-2圆O₂的半径；

第1-2圆O₂的半径，小于第1-1圆O₁的半径；

第1-1圆O₁的半径，大于矩形区域D₁D₂F₈F₁的矩形边D₁D₂的长度。

下面介绍第二类涡流发生器的制作过程：

参考图7，利用线切割机将4mm厚的形状记忆合金板切割为61mm×15mm的方形板，其长宽比为4.07，长厚比15.25。假定方形板四个角的标记及坐标分别为A(-30.5,0)、B(30.5,0)、C(-30.5,15)及D(30.5,15)。在AB边取A₁(-17.5,0)和B₁(17.5,0)，以A₁为圆心做半径为15mm的圆，与AC边交于A₂点，与CD边相切交于A₃点。过A₁点，做与A₁A₂边相垂直的垂线，与圆弧相交于A₄点。以B₁为圆心做半径为15mm的圆，与BD边交于B₂点，与DC相切边交于B₃点。过B₁点，做与B₁B₂边相垂直的垂线，与圆弧相交于B₄点。最后在A₄B₄边取两点H(-8,13)、G(8,13)，在A₁B₁边取两点F(-15.5,0)、E(15.5,0)。从A₁点开始，顺时针方向沿着A₂点、A₃点、A₄点、H点、G点、B₄点、B₃点、B₂点、B₁点进行剪裁，A₂点到A₃点、A₃点到A₄点、B₂点到B₃点、B₃点到B₄点是沿着圆弧进行剪裁，其余都是按照直线进行剪裁。各点位置及裁剪后的涡流发生器外形如图8所示。这里E点、F点、H点及G点构成梯形区域是固定区域，其上底和下底之比为0.84，梯形角为60°，A₄点、H点、F点、A₁点及B₄点、G点、E点、B₁点构成的两个平行四边形区域为变形区域，其相邻长短边之比为7.5，剩下的扇形区域为抬起区域，其圆心角为90°。抬起高度(A₂点或B₂点位置相对于固定区域平面)约4～10mm，取决于形状记忆合金对变形区域的训练程度。

图9和图10为抬起区域的侧视剖视图，即图8中A₁A₂、B₁B₂边的剖面外形。针对图8中抬起区域A₁A₂A₃A₄进行说明其剖面外形的形成过程。

参考图9，假定方形板厚度所在平面的四个角标记及坐标分别为D₁(-2,0)、D₂(2,0)、D₄(-2,15)及D₃(2,15)。以O₁(0,6)为圆心做半径为2.1mm的圆，分别交D₁D₄、D₂D₃边于F₁和F₈。以O₂(0,9.5)为圆心做半径为1.6mm的圆，与O₁圆心的圆弧分别交于F₂和F₇。以O₃(0,12)为圆心做半径为1.1mm的圆，与O₂圆心的圆弧分别交于F₃和F₆。过O₃点做D₃D₄边的平行线，与O₃圆心的圆弧分别交于F₄和F₅。取D₃D₄边的中点A₂(0,15)。从D₁点开始，顺时针方向沿着F₁点、F₂点、F₃点、F₄点、A₂点、F₅点、F₆点、F₇点、F₈点、D₂点进行剪裁，D₁点到F1点、F₄点到A₂点、A₂点到F₅点、F₈点到D₂点是沿着直线进行剪裁，其余都是按照圆弧进行剪裁。各点位置及裁剪后的涡流发生器剖面外形如图10所示，顶端三角形∠F₄A₂F₅为40.3°。抬起区域的侧视图如图11所示，其中C₃为O₂圆心圆弧的边界侧视图。

以下通过实验效果为例，对本发明提供的两类涡流发生器用于机翼失速流动控制的优点进行验证：

发明人采用NACA4415翼型加工设计了展弦比为2的直机翼。在机翼前缘15％c位置分别安装了基于形状记忆合金的第一类和第二类涡流发生器，来流马赫数为0.1，雷诺数为5×10⁵。干净模型是指：未安装基于形状记忆合金的第一类和第二类涡流发生器的直机翼；试验结果性能对比见表1和表2。

表1第一类涡流发生器作用前后的性能对比

表2第二类涡流发生器作用前后的性能对比

从表1可以看到，第一类涡流发生器安装后几乎对模型的气动性能没有影响，其工作时可以推迟失速迎角3°，阻力系数有所减小，最大升力系数显著增加，升阻比提高14.5％。从表2可以看到，第二类涡流发生器安装后几乎对模型的气动性能没有影响，其工作时可以推迟失速迎角3°，阻力系数有所减小，最大升力系数显著增加，升阻比提高13.5％。两类涡流发生器对机翼模型原有气动性能几乎没有影响，其改善机翼模型失速特性的能力相当。

本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器具有以下优点：本发明提供的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，为一种主动流动控制的涡流发生器，经验证，能够有效推迟失速、增加升力以及减小阻力，从而显著提升飞行器气动性能。

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)

1.一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，包括微型涡流发生器本体以及加热驱动单元；

所述微型涡流发生器本体采用具有双行程记忆效应的形状记忆合金制作而成，利用形状记忆合金的双行程记忆效应实现微型涡流发生器本体的变形；所述微型涡流发生器本体包括固定区域、抬起区域和变形区域；所述固定区域和所述抬起区域之间通过所述变形区域连接过渡；

所述加热驱动单元用于对所述固定区域进行加热；在形状记忆合金低临界温度时，微型涡流发生器本体表面平整，固定区域、抬起区域和变形区域处于同一平面，此时为微型涡流发生器的初始状态；当通过所述加热驱动单元对所述固定区域进行加热时，利用形状记忆合金的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，从而导致抬起区域抬起；当达到形状记忆合金高临界温度时，变形区域完成变形，抬起区域抬起高度不再变化，此时为微型涡流发生器的工作状态，实现涡流发生器的效果；当所述加热驱动单元停止加热时，变形区域自然冷却，当温度低到一定值时，变形区域向相反方向发生形变，从而导致抬起区域回落，直到固定区域、抬起区域和变形区域恢复到同一平面，恢复初始状态；

其中，所述基于形状记忆合金的微型涡流发生器，包括第一类涡流发生器和第二类涡流发生器；

其中，对于所述第一类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向相同；具体的，所述第一类涡流发生器包括固定区域、抬起区域和变形区域；所述固定区域和所述抬起区域之间通过所述变形区域连接过渡；

所述第一类涡流发生器的结构为：

第1圆(E)、第2圆(F)和第3圆(G)的圆心共轴，并且圆心的连线形成第一类涡流发生器的对称轴；第1圆(E)、第2圆(F)和第3圆(G)的半径递增；设定端点O，过端点O向左侧做第1圆(E)的切线，与第1圆(E)的交点为点A₆；过端点O向右侧做第1圆(E)的切线，与第1圆(E)的交点为点B₆；端点O、点A₆和点B₆的连线形成三角形区域；

第2圆(F)与第1圆(E)的左侧交点为点A₅；第2圆(F)与第1圆(E)的右侧交点为点B₅；点A₆、点A₅、点B₅和点B₆的连线形成第1弧形区域；

第3圆(G)与第2圆(F)的左侧交点为点A₄；第3圆(G)与第2圆(F)的右侧交点为点B₄；点A₅、点A₄、点B₄和点B₅的连线形成第2弧形区域；

过第3圆(G)的圆心作一条水平线，与第3圆(G)的左侧相交于点A₃；与第3圆(G)的右侧相交于点B₃；点A₄、点A₃、点B₃和点B₄的连线形成第3弧形区域；

作一条第3圆(G)的下侧水平切线，过点A₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点A₇，过点B₃作一条直线，与下侧水平切线相交于点B₇；点A₃点B₃点B₇和点A₇围成第1梯形区域(A₃B₃B₇ A₇)；其中，点A₇点B₇的连线为水平线，且长于点A₃点B₃的连线；

延长点A₃点A₇的连线至点A₂；对称延长点B ₃点B ₇的连线至点B ₂；点A₇点B₇点B₂和点A₂围成第2梯形区域(A₇B₇B₂A₂)；其中，点A₂点B₂的连线为水平线，且长于点A₇点B₇的连线；

在点A₂的下方选取点A₁，在点B₂的下方选取点B₁；点A₂点B₂点B₁和点A₁围成第3梯形区域(A₂B₂B₁A₁)；其中，点A₁点B₁的连线为水平线，且长于点A₂点B₂的连线；

三角形区域、第1弧形区域、第2弧形区域、第3弧形区域和第1梯形区域形成的区域为抬起区域；

第2梯形区域为变形区域；第3梯形区域为固定区域；

对于所述第二类涡流发生器，其抬起区域的抬起方向与气流方向垂直，为左右对称的类似叶片构型；

具体的，所述第二类涡流发生器包括固定区域、第1抬起区域、第1变形区域、第2抬起区域和第2变形区域；所述固定区域的左侧和所述第1抬起区域之间通过所述第1变形区域连接过渡；所述固定区域的右侧和所述第2抬起区域之间通过所述第2变形区域连接过渡；其中，所述第1抬起区域和所述第2抬起区域为对称结构；所述第1变形区域和所述第2变形区域为对称结构；

其中，所述固定区域为等腰梯形区域(FHGE)；其中，点H和点G的连线形成等腰梯形区域的上底边HG；点F和点E的连线形成等腰梯形区域的下底边FE；点H和点F的连线形成等腰梯形区域的左侧腰HF；点G和点E的连线形成等腰梯形区域的右侧腰GE；

所述第1变形区域为第一平行四边形区域(A₁FHA₄)，位于所述等腰梯形区域(FHGE)的左侧，其结构为：以左侧腰HF为一条平行边HF，延长点G到点H的连线至点A₄，使点H和点A₄的连线形成一条平行边HA₄；等长度延长点E到点F的连线至点A₁，使点F和点A₁的连线形成一条平行边FA₁；点A₄和点A₁的连线形成一条平行边A₄ A₁；其中，平行边A₄A₁和平行边HF相互平行；平行边HA₄和平行边FA₁相互平行；

所述第1抬起区域为第一扇形区域(A₁A₄A₂)，位于所述第一平行四边形区域(A₁FHA₄)的左侧，其结构为：以点A1为扇形的圆心点，以平行边A₄ A₁为半径，从点A₄作圆弧到点A₂，从而形成第一扇形区域(A₁A₄A₂)；

所述第2变形区域为第二平行四边形区域(B₁EGB₄)，位于所述等腰梯形区域(FHGE)的右侧，其结构为：以右侧腰GE为一条平行边GE，延长点H到点G的连线至点B₄，使点G和点B₄的连线形成一条平行边GB₄；等长度延长点F到点E的连线至点B₁，使点E和点B₁的连线形成一条平行边EB₁；点B₄和点B₁的连线形成一条平行边B₄ B₁；其中，平行边B₄ B₁和平行边GE相互平行；平行边GB₄和平行边EB₁相互平行；

所述第2抬起区域为第二扇形区域(B₁B₄B₂)，位于所述第二平行四边形区域(B₁EGB₄)的右侧，其结构为：以点B₁为扇形的圆心点，以平行边B₄B₁为半径，从点B₄作圆弧到点B₂，从而形成第二扇形区域(B₁B₄B₂)。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，对于三角形区域，顶角角度范围为10°～60°；其中，顶角即为端点O位置的角度。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，第1梯形区域的梯形角等于第2梯形区域的梯形角；第2梯形区域的梯形角小于第3梯形区域的梯形角。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，对于所述等腰梯形区域(FHGE)，上底边HG和下底边FE的长度比为0.95～0.15；梯形角范围为20°～70°；

对于所述第一平行四边形区域(A₁FHA₄)和所述第二平行四边形区域(B₁EGB₄)，长边和短边的长度比为2～15；

对于所述第一扇形区域(A₁A₄A₂)和第二扇形区域(B₁B₄B₂)，其圆心角范围为50°～150°，其从扇形的圆心点向圆弧方向，呈现不规则的沟槽状。

5.根据权利要求4所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，对于所述第一扇形区域(A₁A₄A₂)，从圆心点A₁向圆弧A₂A₄方向，呈现不规则的沟槽状，具体为：

沿A₁A₂作剖面，按从A₁到A₂方向，不规则的沟槽状剖面依次包括矩形区域(D₁D₂F₈F₁)、第1-1弧形区域(F₂F₁F₈F₇)、第1-2弧形区域(F₃F₂F₇ F₆)、第1-3弧形区域(F₄F₃F₆F₅)和顶部三角区域(A₂F₄F₅)；

其中：对于所述矩形区域(D₁D₂F₈F₁)，其矩形边D₁D₂的中点为圆心点A₁，圆心点A₁和顶部三角区域(A₂F₄F₅)的顶点A₂的连线为连线A₁A₂，为不规则的沟槽状剖面的对称线；

第1-3圆(O₃)、第1-2圆(O₂)和第1-1圆(O₁)的圆心共轴，并且圆心的连线与对称线重合；第1-3圆(O₃)、第1-2圆(O₂)和第1-1圆(O₁)的半径递增；

对于第1-3圆(O₃)，过其圆心作一条平行于矩形边D₁D₂的水平线，与第1-3圆(O₃)的左侧相交于点F₄，与第1-3圆(O₃)的右侧相交于点F₅；顶点A₂、点F₄和点F₅的连线形成顶部三角区域(A₂F₄F₅)；

第1-2圆(O₂)与第1-3圆(O₃)的左侧交点为点F₃；第1-2圆(O₂)与第1-3圆(O₃)的右侧交点为点F₆；点F₄、点F₃、点F₆和点F₅的连线形成第1-3弧形区域(F₄F₃F₆F₅)；

第1-1圆(O₁)与第1-2圆(O₂)的左侧交点为点F₂；第1-1圆(O₁)与第1-2圆(O₂)的右侧交点为点F₇；点F₃、点F₂、点F₇和点F₆的连线形成第1-2弧形区域(F₃F₂F₇ F₆)；

过点D₁作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆(O₁)的左侧上方相交于点F₁；过点D₂作垂直于矩形边D₁D₂的线，与第1-1圆(O₁)的右侧上方相交于点F₈；点F₂、点F₁、点F₈和点F₇的连线形成第1-1弧形区域(F₂F₁F₈F₇)；

点D₁、点D₂、点F₈和点F₁的连线形成矩形区域(D₁D₂F₈F₁)。

6.根据权利要求5所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，顶部三角区域(A₂F₄F₅)的顶角，即∠F₄A₂F₅为10°～60°；

第1-3圆(O₃)的半径，小于第1-2圆(O₂)的半径；

第1-2圆(O₂)的半径，小于第1-1圆(O₁)的半径；

第1-1圆(O₁)的半径，大于矩形区域(D₁D₂F₈F₁)的矩形边D₁D₂的长度。

7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的微型涡流发生器，其特征在于，所述加热驱动单元包括直流电源、热电偶、加热丝、电流表、导线和导热胶；

通过导热胶，将加热丝和热电偶分别黏贴在微型涡流发生器的固定区域的两侧；加热丝通过导线串联电流表和直流电源，实现对固定区域的加热；

热电偶通过导线连接直流电源，得到热电偶的工作电源，进而实现实时测量固定区域的表面温度；

其工作原理为：

通过加热丝实现固定区域的加热，利用固定区域自身的热传导，将固定区域的热量传递到变形区域，引起变形区域形变的发生，导致抬起区域的抬起；

当停止加热时，自然冷却，变形区域发生反向形变，导致已抬起的抬起区域恢复水平初始形状。

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