压电-金属复合结构合成射流驱动器的研究

论文摘要

合成射流技术是一种全新的流场主动控制方法,它通过驱动隔膜的周期振动改变驱动器腔体体积,从而在出口处形成射流,其特点是在驱动器吹出和吸入流体的一个周期内,出口净质量流量为零,但净动量不为零。它能够以局部很小的能量输入实现全局大尺度的流场控制,因此被认为是流场控制的突破性技术,成为流场控制领域的一个重要研究方向,同时在航空航天等领域也具有重要的应用前景。本文立足于合成射流技术的基础性研究,通过数值仿真和试验着重研究了合成射流产生的机理和发展演化过程。探索了一种旨在提升驱动器的驱动能力的新型半钹形压电-金属复合结构隔膜。此外,为了有效地分析和处理试验中得出的非稳态流场信号,采用了一种新的信号分析处理方法。具体的研究内容有:第一,基于二维不可压缩RANS方程建立数值模型,研究了现有几种湍流模型在描述合成射流现象时的适用性。分别应用这些模型数值模拟合成射流流场,并与试验结果进行对比,确定了最佳模型。第二,利用选定的湍流模型数值仿真了合成射流的产生机理、射流和涡对的运动演化过程,研究了射流速度场在时间和空间上的分布特性、合成射流驱动器输出射流速度与腔体结构参数、出口形状以及出口的倾斜角度等的关系,为驱动器腔体结构的优化设计提供了参考。第三,为了提高振动隔膜的驱动能力,提出了一种新型的半钹形压电-金属复合结构振动隔膜。使用商业有限元软件ANSYS建立了隔膜的有限元分析模型,分析了隔膜的动态特性,并通过仿真对隔膜结构及其尺寸进行了研究。此外,还提出了另一种新型半钹形双隔膜驱动器。通过对隔膜的试验测试表明半钹形隔膜的位移变形量达到传统平板形隔膜的2.6倍。第四,制作了几种半钹形隔膜以及传统平板形隔膜合成射流驱动器,并对其进行了试验测试,利用总压管测速、热线测速法以及粒子图像测速法测量了合成射流的流场分布特性。对驱动器的腔体尺寸进行了优化,验证了数值仿真研究的正确性。试验结果也表明半钹形隔膜能够达到提升驱动器出口速度的目的,因而增强了驱动器的驱动能力。最后,将Hilbert-Huang变换引入到流场的信号处理中。对热线风速仪所测射流瞬时速度信号进行HHT分析和处理,其结果具有清晰的物理意义,从而表明HHT可以有效地应用于流场信号的分析与处理中。本论文的研究得到了国家自然科学基金的资助（项目号:90405008）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 飞行器翼面流场控制方法
• 1.2 用于流场主动控制的合成射流技术
• 1.2.1 合成射流技术研究现状
• 1.2.2 合成射流驱动器研究现状
• 1.2.3 合成射流及SJA 研究存在的不足
• 1.3 流场状态测试中的信号分析和处理
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 本文章节安排
• 第二章 合成射流流场的数值计算模型研究
• 2.1 概述
• 2.2 流体动力学控制方程
• 2.3 湍流的数值模型
• 2.3.1 层流模型控制方程
• 2.3.2 两方程k-ε模型
• 2.3.3 两方程k-ω数值模型
• 2.3.4 雷诺应力模型（RSM）
• 2.4 流体动力学方程的离散与求解
• 2.4.1 合成射流流场网格划分
• 2.4.2 流体动力学控制方程的离散和求解
• 2.5 本章小结
• 第三章 合成射流形成机理与流场特性的数值仿真
• 3.1 用于合成射流数值模拟的湍流模型的选择
• 3.1.1 不同湍流模型下流场的分布特性
• 3.1.2 不同湍流模型下出口射流的速度
• 3.2 合成射流形成机理研究
• 3.3 合成射流稳定流场速度分布
• 3.3.1 射流速度随时间的分布特性
• 3.3.2 动态稳定射流速度在空间上的分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 SJA 结构参数对合成射流特性的影响
• 4.1 SJA 腔体结构尺寸对合成射流的影响
• o 对射流特性的影响'>4.1.1 出口孔径d_o对射流特性的影响
• c和孔高h_o 对射流特性的影响'>4.1.2 腔深h_c和孔高h_o对射流特性的影响
• c 对射流特性的影响'>4.1.3 腔径d_c对射流特性的影响
• 4.2 SJA 出口形状对射流特性的影响
• 4.3 SJA 出口角度对射流特性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 半钹形压电-金属复合结构驱动隔膜及其驱动特征
• 5.1 压电陶瓷-金属复合体结构
• 5.1.1 钹形（Cymbal）结构
• 5.1.2 用于压电SJA 的半钹形压电-金属复合结构振动隔膜
• 5.2 SJA 振动隔膜的有限元模型
• 5.3 半钹形隔膜动态特性分析
• 5.3.1 模态分析
• 5.3.2 谐响应分析
• 5.4 隔膜结构参数对隔膜振动变形能力的影响
• 1 对隔膜振动变形能力的影响'>5.4.1 δ₁对隔膜振动变形能力的影响
• 2 对隔膜振动变形能力的影响'>5.4.2 δ₂对隔膜振动变形能力的影响
• 5.5 SJA 振动隔膜变形能力试验测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 合成射流驱动器出口射流特性的测试
• 6.1 合成射流驱动器及试验测试系统
• 6.1.1 合成射流驱动器试验件
• 6.1.2 试验测试系统
• 6.2 平板半钹形单隔膜驱动器输出特性测试
• 6.2.1 隔膜结构参数对输出射流的影响
• 6.2.2 腔体结构参数对输出射流的影响
• 6.2.3 试验测试结果的总结和讨论
• 6.3 半钹形单隔膜驱动器输出射流特性
• 6.3.1 驱动器出口孔高对射流特性的影响
• 6.3.2 基于PIV 测试的合成射流流场分布特性
• 6.4 半钹形双隔膜驱动器输出射流流场特性测试
• 6.4.1 振动隔膜参数对流场特性的影响
• 6.4.2 双隔膜驱动器腔体结构参数对输出射流的影响
• 6.4.3 基于PIV 测试的射流流场分布特性分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 合成射流流场信号的分析与处理
• 7.1 Hilbert Huang 变换简介
• 7.1.1 瞬时频率
• 7.1.2 固有模态函数（IMF）和经验模式分解（EMD）
• 7.1.3 端点延拓
• 7.1.4 EMD 结束准则
• 7.1.5 Hilbert 谱
• 7.2 合成射流信号的HHT 分析
• 7.2.1 合成射流速度信号
• 7.2.2 合成射流信号EMD 分解
• 7.2.3 合成射流信号的FFT 分析
• 7.2.4 合成射流信号的边际谱和Hilbert 谱特性
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 论文完成的主要工作
• 8.2 论文的贡献与创新
• 8.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 在学期间申请的专利
• 在学期间参加的科研项目