CN115320833A - 一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，属于飞行器主动流动控制领域，本发明装置包括入口特斯拉阀、引气管、出口特斯拉阀和等离子体射流激励器，所述等离子体射流激励器由阴电极、阳电极和激励器腔体组成，激励器腔体具有一个底部补气入口、一个顶部射流出口和两个位于腔体内部的电极插入孔，两电极对称布置于激励器腔体内部，通过外接高压脉冲电源控制。本发明使射流动能、高能射流持续时间，工作频率和响应速度大幅提升，且具有结构轻薄、长度可调节、无机械连杆运动部件、无流体供应系统和阀门等特点，可灵活布置于机翼、舵面等飞行器结构内部，改变飞行器局部升阻力，从而实现对飞行器的力矩控制。

Description

一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器

技术领域

本发明属于飞行器主动流动控制领域，尤其涉及一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器。

背景技术

特斯拉阀是一种有固定几何形状的被动式流体控制装置，其特点在于流体正向流动进入特斯拉阀仅受到较小的阻力，而流体反向流动进入特斯拉阀会受到极大的阻力，使得正向流动相较于反向流动更加容易，实现单向流动流量限制。由于其易于批量生产、可缩放性和无活动构件等特性，目前广泛应用于微流体控制、生物技术、微电子机械系统和分析化学等领域。

等离子体合成射流激励器具有激励频带宽、响应速度快、无运动部件、诱导射流速度高等特性，其作为一种应用前景广泛的主动流动控制装置，可以布置于飞行器不同部位，在需要时，通过局部的能量输入在流场中产生适当的扰动，从而获得局部或全局的有效流动改变，实现对流动的控制，对于保证飞行器的飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率具有重要意义。

现有典型等离子体合成射流激励器是由美国的约翰-霍普金斯大学应用物理实验室于2003年提出的一种等离子体合成射流激励器发展而来。此类激励器由一个带有出口的腔体和阴阳电极组成，其工作周期分为三个阶段：能量沉积；射流喷出；吸气复原。对于吸气复原阶段，此类激励器仅靠射流喷出后形成的腔体负压进行吸气，吸气缓慢，且激励器工作后腔体内温度上升，腔体内外压差减小，进一步延缓吸气复原过程，使单个恢复周期变长，为保证射流速度，电源脉冲频率就得相应减小，进而限制激励器的最大工作频率，激励器的流动控制能力减弱。

现有补气式等离子体合成射流激励器如通过布置动压进口引入高速来流加快腔体内气体恢复，这种激励器对工作环境有较高要求，在高超环境下才能得到较好的成效；又如通过安装与激励器腔体相通的补气单向阀引入气体加快腔体内气体恢复，这种激励器有活动构件且需要附加外部高压气源，增加了结构复杂性和重量，阀门随激励器高频工作实现同步开关也对控制系统有很高要求；还如通过双腔体自补气加快腔体内气体恢复，这种激励器的补气孔被设计为狭长型，使其在减小补气孔对射流速度影响的同时也减慢了自补气恢复速度，腔体内气体仍需要一定时间进行恢复，对激励器工作带宽的提升有限。

发明内容

本发明提供一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，所述激励器环境适应性强，响应时间短，射流连续且速度高，工作频带宽。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，所述激励器包括：入口特斯拉阀、引气管、出口特斯拉阀、等离子体激励器；所述引气管一端连接入口特斯拉阀的出口，另一端连接出口特斯拉阀的进口；所述出口特斯拉阀的出口连接等离子体激励器；

所述等离子体激励器包括激励器腔体、阴电极和阳电极；所述阴电极和阳电极对称安插于激励器腔体内壁，两电极间保持一定距离，通过连线外接高压脉冲电源；所述激励器腔体为圆柱体，上方为收缩喉道和直流通道，顶部设置射流出口，底部设置补气入口，所述补气入口连接出口特斯拉阀的出口；

所述入口特斯拉阀实现高压流体的单向流入，入口与外部机翼、舵面等结构相连；所述入口特斯拉阀布置于环境静压大于激励器射流出口处静压的位置；

所述引气管实现流体的流通，可随布置位置不同而改变长度，从而保证装置可灵活布置于机翼、舵面等飞行器结构内部；所述引气管采用柔性材料，使其可随布置位置的结构厚度改变而拉伸，也可随入口位置移动而弯曲，满足激励器在复杂环境下的使用需求；

所述出口特斯拉阀，实现高压流体的单向流出；

所述入口特斯拉阀每一级的方向与出口特斯拉阀对应每一级的方向对称布置，使激励器空间利用率高，利于阵列布置于机翼、舵面等结构内部；

所述入口特斯拉阀由6级特斯拉阀组合而成，出口特斯拉阀由10级特斯拉阀组合而成，二者通过引气管联通，由于二者不同级数特斯拉阀对流量的限制特性，使得等离子体激励器产生的射流只能从射流出口喷出，无法从入口特斯拉阀逆向喷出；

所述单级特斯拉阀通道深度为2mm，直通道与斜通道夹角为45°，圆弧通道外径为9.4mm，内径为5.4mm，斜通道中未与圆弧通道和直通道交汇的部分长为15.6mm；

所述入口特斯拉阀和出口特斯拉阀的出入口以及等离子体激励器的补气入口均为直径2mm的圆孔，等离子体激励器的射流出口也为圆孔，其直径大于0.5mm。

有益效果：本发明提供了一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1. 与传统外部高压气源补气式激励器相比，无需外加气源，结构重量轻，安装简单；

2. 与传统单向阀补气式激励器相比，无活动构件，无需实现阀门随激励器工作频率提升而快速响应，维护简单，使用更加方便；

3. 通过特斯拉阀补气，能有效提高吸气复原速度，减少腔体内气体复原时间，缩短单个周期，从而提高激励器最大工作频率；

4. 特斯拉阀能持续为激励器提供补气，从而提高射流的连续性、稳定性；

5. 特斯拉阀提供的补气对射流起动能增强作用，可获得动能更大的射流，并延长高能射流的持续时间；

6. 从腔体底部进入特斯拉阀的少量射流会随特斯拉阀级数的增加受到越来越强的阻力，最终随着补气来流再次进入腔体与射流混合，增强射流动能，不会造成射流动能损失；

7. 入口特斯拉阀能在布置位置形成边界层“吸”的效果，射流出口能在布置位置形成边界层“吹”的效果，实现对飞行器不同位置边界层的吹吸效应。

8. 与现有射流类激励器相比，本发明的激励器兼具射流动能大、持续时间长、工作频带宽、环境适应性强等优点，在飞行器主动流动控制领域应用前景十分广泛。

9. 利用特斯拉阀单向流量限制特性从高压区为激励器提供补气，使射流动能、高能射流持续时间，工作频率和响应速度大幅提升，且具有结构轻薄、长度可调节、无机械连杆运动部件、无流体供应系统和阀门、易于批量生产等特点，可灵活布置于机翼、舵面等飞行器结构内部，改变飞行器局部升阻力，从而实现对飞行器的力矩控制。

附图说明

图1为本发明实施例中基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器结构示意图；

图2为本发明实施例中用于对比的典型等离子体合成射流激励器结构示意图；

图3为本发明实施例中基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器与典型等离子体合成射流激励器相同工况下单周期射流速度对比图；

图中，1-入口特斯拉阀、2-引气管、3-出口特斯拉阀、4-激励器腔体、5-阴电极、6-阳电极、7补气入口、8-射流出口、9-直通道、10-斜通道、11-圆弧通道。

具体实施方式

如图1所示，一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，包括入口特斯拉阀1、引气管2、出口特斯拉阀3、激励器腔体4、阴电极5、阳电极6、补气入口7和射流出口8；

入口特斯拉阀1实现高压流体的单向流入，入口与外部机翼、舵面等结构相连，出口连接引气管；

引气管2实现流体的流通，可随布置位置不同而改变长度，从而保证装置可灵活布置于机翼、舵面等飞行器结构内部；

出口特斯拉阀3实现高压流体的单向流出，入口与引气管相连，出口连接激励器腔体4底部的补气入口；

激励器腔体4为圆柱体，上方为收缩喉道和直流通道，具有一个底部补气入口7、一个顶部射流出口8和两个位于腔体内部的电极插入孔；

阴电极5和阳电极6分别插于激励器腔体4内部的两个电极插入孔，且阴电极5和阳电极6两电极之间保持一定距离，经连线与外接高压脉冲电源相接；

入口特斯拉阀1需要布置于环境静压大于激励器射流出口8处静压的位置；

引气管2采用柔性材料，使其可随布置位置的结构厚度改变而拉伸，也可随入口位置移动而弯曲，满足等离子体激励器在复杂环境下的使用需求；

入口特斯拉阀1每一级的方向与出口特斯拉阀3对应每一级的方向对称布置，使激励器空间利用率高，利于阵列布置于机翼、舵面等结构内部；

入口特斯拉阀1由6级特斯拉阀组合而成，出口特斯拉阀3由10级特斯拉阀组合而成，二者通过引气管2联通，由于二者不同级数特斯拉阀对流量的限制特性，使得等离子体激励器产生的射流只能从射流出口8喷出，无法从入口特斯拉阀1逆向喷出；

单级特斯拉阀通道深度为2mm，直通道9与斜通道10夹角为45°，直通道9和斜通道10的另一端通过圆弧通道11连接，所述圆弧通道11外径为9.4mm，内径为5.4mm，斜通道10中未与圆弧通道11和直通道9交汇的部分长为15.6mm；

入口特斯拉阀1和出口特斯拉阀3的出入口以及等离子体激励器的补气入口7均为直径2mm的圆孔，等离子体激励器的射流出口8也为圆孔，其直径大于0.5mm；

上述等离子体激励器工作原理为：入口特斯拉阀1布置于来流高压区，利用其单向流量限制特性，气流流入入口特斯拉阀1经引气管2和出口特斯拉阀3单向流出补气入口7进入激励器腔体4，经收缩喉道和直流通道加速后从射流出口8喷出，形成速度稳定的持续射流。当激励器通电正常工作时，阴电极5和阳电极6间空气被击穿，产生电弧放电，在极短时间内快速加热腔体内气体，使其温度和压力快速增高，形成腔体内外压差，气体膨胀从射流出口8喷出形成射流。激励器底部补气入口7对射流强度的影响很小，有少部分高温高压气体膨胀从激励器底部补气入口7进入出口特斯拉阀3，但由于特斯拉阀的单向流量限制特性，气体受到极大的阻力，堵塞在出口特斯拉阀3的前几级里，随着来流的持续流入，堵塞气体随来流经补气入口7再次流入激励器腔体4内部，与腔体内高温高压气体混合一起从射流出口8喷出，不仅提高射流响应速度，也增强射流的强度，获得动能更大的射流且由于补气气流的持续流入，高能射流的持续时间更长；同时，补气气流的流入能快速充满射流喷出后的激励器腔体4内部，让等离子体激励器不再需要从外界吸气恢复，使单个周期内的吸气恢复时间大幅减少，进而大幅提高激励器的最大工作频率。

上述基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器与现有由美国的约翰-霍普金斯大学应用物理实验室提出并发展而来的如图2所示的典型等离子体合成射流激励器，在相同腔体尺寸和工况下单周期射流速度对比如图3所示，可以看出本发明产生的射流速度更大，高能射流持续时间更长，且单周期时间从600ms减至200ms，使激励器能更快地进行下一次放电喷射，极大地提高了本发明的最大工作频率。

本发明无活动构件，结构重量轻，安装简单，可灵活布置于机翼、舵面等结构内部，能稳定产生连续性射流，且射流速度大，持续时间长，激励器最大工作频率极大，在飞行器主动流动控制领域如控制流动分离、激波控制、激波\边界层干扰控制、快响应气动力控制等方面有很好的流动控制能力。

以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述激励器包括：入口特斯拉阀、引气管、出口特斯拉阀、等离子体激励器；所述引气管一端连接入口特斯拉阀的出口，另一端连接出口特斯拉阀的进口；所述出口特斯拉阀的出口连接等离子体激励器；所述入口特斯拉阀的入口与外部结构相连。

2.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述等离子体激励器包括激励器腔体、阴电极和阳电极；所述阴电极和阳电极对称安插于激励器腔体内壁，通过连线外接高压脉冲电源；所述等离子体激励器顶部设置射流出口，底部设置补气入口，所述补气入口连接出口特斯拉阀的出口。

3.根据权利要求2所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述激励器腔体为圆柱体，上方为收缩喉道和直流通道。

4.根据权利要求2所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述入口特斯拉阀布置于环境静压大于等离子体激励器射流出口处静压的位置。

5.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述引气管随布置位置不同而改变长度。

6.根据权利要求1或5所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述引气管采用柔性材料。

7.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述入口特斯拉阀每一级的方向与出口特斯拉阀对应每一级的方向对称布置。

8.根据权利要求1或7所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述入口特斯拉阀由6级单级特斯拉阀组合而成，所述出口特斯拉阀由10级单级特斯拉阀组合而成。

9.根据权利要求8所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述单级特斯拉阀通道深度为2mm，直通道与斜通道夹角为45°，圆弧通道外径为9.4mm，内径为5.4mm，斜通道中未与圆弧通道和直通道交汇的部分长为15.6mm。

10.根据权利要求1所述的基于特斯拉阀的补气式等离子体射流激励器，其特征在于，所述入口特斯拉阀和出口特斯拉阀的出入口以及等离子体激励器的补气入口均为直径2mm的圆孔，所述等离子体激励器的射流出口为圆孔，其直径大于0.5mm。

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