CN112943754A - 一种双压电振子驱动的矢量射流装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双压电振子驱动的矢量射流装置。所述装置包括射流激励器本体是上端有出口的腔体结构，两片压电振动膜夹持在腔体中将其分为三个腔体，电源控制系统产生周期性电信号，驱动压电振动膜往复振动，使三个腔体交替压缩和膨胀，引起三个腔体内非对称的压力场周期性变化，在出口形成三股交替吹吸的射流，三股射流相互卷吸、融合，并往下游耗散，在出口低压区与射流惯性的综合作用下，最终在下游形成一股具有矢量特征的高动量稳定射流。该装置不需任何机械转动部件和气源管路，体积小，质量轻，极易与大功率电子设备进行一体化设计，并且采用全电控制，在小空间、大范围流动控制领域具有重要应用价值。

Description

一种双压电振子驱动的矢量射流装置

技术领域

本申请涉及主动流动控制领域，特别是涉及一种双压电振子驱动的矢量射流装置。

背景技术

主动流动控制是有辅助能量输入的流动控制方式，这种控制方式可以根据外部的工况变化合适地在临界点处对主流加以扰动，实现对当前工况流动特征的自适应控制，其在分离流控制、姿态控制、大面积换热、推力矢量等领域展现出极大的应用潜力。

射流是一种常用的主动流动控制手段，同时，射流的矢量特性可以增大流动控制的控制范围，很多研究表明：具有矢量特性的射流在分离流控制、推力矢量控制、大面积换热等领域拥有更突出的表现。

传统射流方法主要分为有源射流与无源射流两种方法。有源射流激励器虽然可以提供稳定射流，但其需要外置气源以及复杂的管路、阀门设计，增加了系统体积与重量，具有矢量特性的有源射流装置更是需要单独设计机械矢量装置，无法应用于小空间或集成度较高的流动控制领域；合成射流激励器，不需要复杂的机械管路，可以仅通过电信号驱动，但其能量利用率较低，容易压载失效，且射流方向单一，不具备长时间、大范围流动控制能力；合成双射流激励器提高了能量利用率，且拥有矢量功能，具备大范围流动控制的潜力，但矢量特性是依靠步进电机调节调流滑块的移动实现的，机械系统的引入增加了系统体积与设计复杂度，同时，系统运行时，滑块的调节误差较大，不利于控制系统设计。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，对合成双激励器进行结构和功能改进，在此基础上形成了一种仅需要通过控制电信号便可实现射流大范围矢量偏转的双压电振子驱动的矢量射流装置。

一种双压电振子驱动的矢量射流装置，所述装置包括：电源控制系统、射流激励器本体以及两片压电振动膜。

所述电源控制系统通过两路控制线分别连接两片所述压电振动膜，所述控制线输出周期性电信号，用于驱动所述压电振动膜往复振动；所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位通过所述电源控制系统设置。

所述射流激励器本体是上端有出口的腔体结构，是所述装置的壳体，用于支撑和夹持所述压电振动膜。

两片所述压电振动膜，用于夹持在射流激励器腔体中将射流激励器腔体分为三个腔体。

通过所述周期性电信号驱动两片所述压电振动膜往复运动时，在所述射流激励器本体的三个腔体内形成非对称的脉动压力场，从而在所述射流激励器本体的出口处形成三股高速射流，所述三股高速射流相互卷吸和融合，最终在所述射流激励器本体的下游形成一股具有矢量特性的高速稳定射流。

在其中一个实施例中，所述射流激励器本体的三个腔体的出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状，或者为不同形状的阵列。

在其中一个实施例中，所述射流激励器本体的三个腔体的形状为圆柱形、六面体形或者组合体。

在其中一个实施例中，所述射流激励器本体的三个腔体的体积大小不同。

在其中一个实施例中，所述射流激励器本体的三个腔体的出口宽度及长度依据工作环境对射流能量及矢量特性的需求进行自主调节。

在其中一个实施例中，所述装置还用于通过调节所述电源控制系统输出的周期性电信号以改变所述压电振动膜的振动方向，实现强射流模式与弱射流模式的自由切换。

在其中一个实施例中，当两片所述压电振动膜型号不相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

在其中一个实施例中，当两片所述压电振动膜型号相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

上述双压电振子驱动的矢量射流装置，该装置包括电源控制系统、射流激励器与压电振动膜。射流激励器是上端有出口的腔体结构，两片压电振动膜夹持在所述射流激励器腔体中将射流激励器腔体分为三个腔体，电源控制系统产生周期性电信号，驱动两片压电振动膜往复振动，使得射流激励器三个腔体交替压缩和膨胀，引起三个腔体内非对称的压力场周期性变化，在射流激励器出口形成三股交替吹吸的射流，三股射流相互卷吸、融合，并往下游耗散，在出口低压区与射流惯性的综合作用下，最终在下游形成一股具有矢量特征的高动量稳定射流。该装置不需要任何机械转动部件，仅依靠电信号便可实现射流大范围矢量偏转，是一种仅靠双压电振子驱动的矢量射流装置；该装置无需任何气源管路，体积小，质量轻，极易与大功率电子设备进行一体化设计；该装置可以同时兼具自适应能力强、控制能力强、结构简单、全电控制、可靠性高等特点，在小空间、大范围流动控制领域具有重要应用价值。

附图说明

图1为一个实施例中双压电振子驱动的矢量射流装置的总体结构及射流激励器剖面结构示意图；

图2为另一个实施例中射流激励器本体的三维结构示意图；

图3为另一个实施例中射流激励器出口截面形状示意图；

图4为另一个实施例中射流激励器腔体形状示意图；

图5为另一个验证性实施例中的仿真效果图；其中(a)为双压电振子驱动的矢量射流装置强射流模式下的仿真效果图，(b)为双压电振子驱动的矢量射流装置弱射流模式下的仿真效果图；

图6为另一个实施例中双压电振子驱动的矢量射流装置在电信号控制下实现矢量偏转的实验效果图；其中(a)为低频激励下矢量射流流场，(b)为高频频激励下矢量射流流场。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种双压电振子驱动的矢量射流装置，该装置包括：电源控制系统101、射流激励器本体102以及两片压电振动膜103。

电源控制系统101连接两片压电振动膜103，用于产生周期性电信号，驱动两片压电振动膜103往复振动，在射流激励器本体102的三个腔内产生非对称的压力场脉动。

电源控制系统101通过两路控制线分别连接两片压电振动膜103，控制线输出周期性电信号，用于驱动压电振动膜往复振动；周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位通过电源控制系统101设置。

电源控制系统包括两路输出，两路输出的驱动电压、驱动频率以及驱动相位均独立可调。

射流激励器本体102是上端有出口的腔体结构，是装置的壳体，用于支撑和夹持压电振动膜103。

两片压电振动膜103夹持在射流激励器本体102腔体中，用于将射流激励器本体102腔体分为三个腔体，在压电振动膜的往复振动下，射流激励器本体102三个腔体交替压缩和膨胀，引起腔体内压力场非对称的周期性变化，在射流激励器本体102出口形成三股交替吹吸的射流，三股射流相互卷吸、融合，并往下游耗散，在出口低压区与射流惯性的综合作用下，最终在下游形成一股具有矢量特征的高动量稳定射流。

通过周期性电信号驱动两片压电振动膜103往复运动时，在射流激励器本体102的三个腔体内形成非对称的脉动压力场，从而在射流激励器本体102的出口处形成三股高速射流，三股高速射流相互卷吸和融合，最终在射流激励器本体102的下游形成一股具有矢量特性的高速稳定射流。

上述双压电振子驱动的矢量射流装置，该装置包括电源控制系统、射流激励器与压电振动膜。射流激励器是上端有出口的腔体结构，两片压电振动膜夹持在所述射流激励器腔体中将射流激励器腔体分为三个腔体，电源控制系统产生周期性电信号，驱动两片压电振动膜往复振动，使得射流激励器三个腔体交替压缩和膨胀，引起三个腔体内非对称的压力场周期性变化，在射流激励器出口形成三股交替吹吸的射流，三股射流相互卷吸、融合，并往下游耗散，在出口低压区与射流惯性的综合作用下，最终在下游形成一股具有矢量特征的高动量稳定射流。该装置不需要任何机械转动部件，仅依靠电信号便可实现射流大范围矢量偏转，是一种仅靠双压电振子驱动的矢量射流装置；该装置无需任何气源管路，体积小，质量轻，极易与大功率电子设备进行一体化设计；该装置可以同时兼具自适应能力强、控制能力强、结构简单、全电控制、可靠性高等特点，在小空间、大范围流动控制领域具有重要应用价值。

作为优选，所述射流激励器本体的三个腔体的出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状，或者为不同形状的阵列。

作为优选，所述射流激励器本体的三个腔体的形状为圆柱形、六面体形或者组合体。

作为优选，所述射流激励器本体的三个腔体的体积大小不同。

作为优选，所述射流激励器本体的三个腔体的出口宽度及长度依据工作环境对射流能量及矢量特性的需求进行自主调节。

作为优选，所述装置还用于通过调节所述电源控制系统输出的周期性电信号以改变所述压电振动膜的振动方向，实现强射流模式与弱射流模式的自由切换。

作为优选，当两片所述压电振动膜型号不相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

作为优选，当两片所述压电振动膜型号相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

通过控制压电振动膜的型号、电源控制系统输出信号的驱动电压、驱动频率及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转，具有流动控制能力强、自适应控制能力强、结构简单、可全电控制、控制能力可调、可靠性高等特点，在分离流主动流动控制、大面积电子器件散热、推力矢量控制等领域具有重要应用价值。

在其中一个实施例中，双压电振子驱动的矢量射流装置的两片压电振动膜的型号不对称，通过电源控制系统，调节施加在两片压电振动膜上的周期性电信号完全相同，实现射流大范围矢量偏转。

在其中一个实施例中，双压电振子驱动的矢量射流装置的两片压电振动膜的型号相同，并且施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动频率、驱动相位完全相同，仅调节电源控制系统使得施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动电压不对称，实现射流大范围矢量偏转。

在其中一个实施例中，双压电振子驱动的矢量射流装置的两片压电振动膜的型号相同，并且施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动电压、驱动相位完全相同，仅调节电源控制系统使得施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动频率不对称，实现射流大范围矢量偏转。

在其中一个实施例中，双压电振子驱动的矢量射流装置的两片压电振动膜的型号相同，并且施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动电压、驱动频率完全相同，仅调节电源控制系统使得施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动相位不对称，实现射流大范围矢量偏转。

在其中一个实施例中，双压电振子驱动的矢量射流装置的两片压电振动膜型号不同，通过调节电源控制系统使得施加在两片压电振动膜上的周期性电信号的驱动电压、驱动频率及驱动相位不对称，以此来实现对射流矢量特性更精确的调控。

本发明的优点在于：该装置不需要任何机械转动部件，仅依靠电信号便可实现射流大范围矢量偏转，是一种仅靠双压电振子驱动的矢量射流装置；该装置无需任何气源管路，体积小，质量轻，极易与大功率电子设备进行一体化设计；该装置可以仅通过控制压电振子的振动方向，实现强射流与弱射流模式的自适应切换，可节省大部分能量，控制效率较高；该装置可以灵活通过控制压电振子的型号、驱动电压、驱动频率及驱动相位，实现射流的大范围矢量偏转，具备大范围流动控制的能力，同时兼具自适应能力强、控制能力强、结构简单、全电控制、可靠性高等特点，在小空间、大范围流动控制领域具有重要应用价值。

在其中一个实施例中，如图2所示为射流激励器本体的三维结构示意图，由激励器上腔体、激励器中间腔体以及激励器下腔体拼接组合而成，每个腔体之间采用燕尾槽密封连接，具有方便拼装、一体化能力强的特点，图2只是提供了一种可能的设计方案，在应用中，可根据实际需求设计不同的制作方案。

在其中一个实施例中，如图3所示为射流激励器出口截面形状示意图。所述射流激励器本体的三个出口截面形状可依据实际需要设计为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状，也可以根据需要设计为不同形状的阵列。

在其中一个实施例中，如图4所示为射流激励器腔体形状。所述射流激励器本体的腔体可依据实际需求设计为圆柱形、六面体、组合体等形状。

在一个验证性实施例中，如图5所示为双压电振子驱动的矢量射流装置强、弱射流模式下的仿真效果图。在强射流模式下，两片压电振动膜的振动方向相反，迫使中间腔体被两个膜片同时压缩，在中间出口处产生动量极高的射流，并在旁侧两股弱射流的引导下，向下游耗散，效果如图5中(a)所示；在弱射流模式下，压电振动膜的振动方向相同，中间腔体形成射流较弱，下游射流的形成主要靠两侧射流的卷吸与耗散，其效果如图5中(b)所示。

在另一个验证性实施例中，如图6所示为双压电振子驱动的矢量射流装置在电信号控制下实现矢量偏转的实验效果图。实验中，在两片压电振动膜只是型号不同，且施加在两片压电振动膜上的周期性电信号完全相同的情况下，图6中(a)是周期性电信号为低频时的矢量射流流场，图6中(b)是周期性电信号为高频时的矢量射流流场，从上面两个矢量射流流场图可以看出射流实现了左右两侧大范围偏转，具备大范围流动控制能力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种双压电振子驱动的矢量射流装置，其特征在于，所述装置包括：电源控制系统、射流激励器本体以及两片压电振动膜；

所述电源控制系统通过两路控制线分别连接两片所述压电振动膜，所述控制线输出周期性电信号，用于驱动所述压电振动膜往复振动；所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位通过所述电源控制系统设置；

所述射流激励器本体是上端有出口的腔体结构，是所述装置的壳体，用于支撑和夹持所述压电振动膜；

两片所述压电振动膜，用于夹持在射流激励器腔体中将射流激励器腔体分为三个腔体；

通过所述周期性电信号驱动两片所述压电振动膜往复运动时，在所述射流激励器本体的三个腔体内形成非对称的脉动压力场，从而在所述射流激励器本体的出口处形成三股高速射流，所述三股高速射流相互卷吸和融合，最终在所述射流激励器本体的下游形成一股具有矢量特性的高速稳定射流。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射流激励器本体的三个腔体的出口截面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、环形或者其它任意形状，或者为不同形状的阵列。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射流激励器本体的三个腔体的形状为圆柱形、六面体形或者组合体。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述射流激励器本体的三个腔体的体积大小不同。

5.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，所述射流激励器本体的三个腔体的出口宽度及长度依据工作环境对射流能量及矢量特性的需求进行自主调节。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述装置还用于通过调节所述电源控制系统输出的周期性电信号以改变所述压电振动膜的振动方向，实现强射流模式与弱射流模式的自由切换。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当两片所述压电振动膜型号不相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当两片所述压电振动膜型号相同时，通过调节所述周期性电信号的驱动电压、驱动频率以及驱动相位，实现射流大范围的矢量偏转。

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