压电—活塞式合成射流驱动器的设计与研究

论文摘要

合成射流技术作为一种新的流场主动控制技术,在航空航天领域有着诱人的应用前景,因此在研究领域引起广泛关注。它通过各种驱动方式引起驱动器腔体内体积周期性变化,在出口外部形成周期性的流体喷射。而压电式合成射流驱动器则是用压电片附着在振动膜片上产生这种周期性激励。这种驱动器具有结构简单、体积小、驱动电信号易于产生等优点,因此成为合成射流技术的重点研究方向。本文将普通的平板式压电合成射流驱动器振动膜振动形式改进成能够像活塞一样垂直上下运动的方式,设计出一种全新的压电-活塞式合成射流驱动器。首先基于RSM模型,将传统的单隔膜平板型驱动器与新设计的压电-活塞式驱动器进行模型仿真比较,从CFD仿真的角度证实了新驱动器结构设计的合理性；对于可能影响新型驱动器射流强度的各参数做了对比分析；通过分析驱动器工作时腔体内部气流的流动方式,比较合成射流驱动器在不同频率区域内的工作特性,并发现了：驱动器在高频情况下,一周期内峰值速度出现的时刻存在相位延时这一现象。通过对几个典型的频率点、驱动器出口附近一周期内流体矢量图的比较分析,得出合成射流驱动器频响曲线上的各峰值点出现的原因。根据提出的新型压电式合成射流驱动器的设计方法,制作了不同尺寸参数的驱动器试件,并搭建了热线测速平台,从物理实验上验证了新型的压电-活塞式合成射流驱动器相比较于传统的单隔膜平板型驱动器的确能够极大地提高合成射流的出流速度。确定了在驱动器的频响曲线上通常会出现低频、高频两个速度峰值点；低频速度峰值点的出现主要由于振动膜本身的特性；而高频速度峰值点的漂移更多地受到驱动器尺寸的影响。此外,本文介绍了电声类比的概念、电声参数类比的方法以及声学系统等效电路如何建立。并将这种类比方法应用到压电式合成射流驱动器的建模中去,通过建立单隔膜平板型驱动器、双振动膜驱动器、压电-活塞式驱动器的等效电路,求解得到各个驱动器在多个激励参数下的等效射流速度的显式表达式。并对双振动膜驱动器的电声类比模型进行了物理实验验证。对于采集到的热线信号,应用Hilbert-Huang变换进行信号处理,将HHT变换应用到射流信号产生局部极大值的三个频率点,通过EMD分解得到各阶IMF信号。将各点的时域信号分别处理得到各自的FFT频谱、边际谱与HHT谱。发现了在高频极大值处射流的时域信号HHT变换呈DNA双螺旋结构,对于合成射流现象的信号处理提供了一个新的研究角度。本论文得到了国家自然科学基金（项目编号：904050008）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 用于主动流动控制的合成射流驱动器的概念
• 1.2.1 零质量振动隔膜式合成射流驱动器
• 1.2.2 无隔膜式合成射流驱动器
• 1.3 合成射流驱动器的研究现状
• 1.3.1 对于合成射流驱动器结构研究内容
• 1.3.2 合成射流驱动器用于主动流动控制的应用现状
• 1.4 合成射流驱动器存在的主要问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.6 本文的章节安排
• 第二章 压电-活塞式合成射流驱动器
• 2.1 新驱动器结构的设计思路
• 2.1.1 单隔膜平板型压电式合成射流驱动器
• 2.1.2 活塞式合成射流驱动器
• 2.1.3 压电-活塞式合成射流驱动器
• 2.2 振动膜振动形态分析
• 2.2.1 振动膜结构参数
• 2.2.2 单隔膜平板型驱动器与压电-活塞式驱动器变形量理论分析
• 2.3 有限元建模模态分析
• 2.3.1 新型驱动器振动膜的振动形式
• 2.3.2 新型驱动器振动膜材料的选择
• 2.3.3 新型驱动器振动膜结构的优化
• 2.4 本章小结
• 第三章 合成射流驱动器数值计算模型研究
• 3.1 概述
• 3.2 合成射流求解域的基本控制方程
• 3.2.1 合成射流求解域质量守恒方程
• 3.2.2 合成射流求解域动量守恒方程
• 3.2.3 合成射流求解域能量守恒方程
• 3.3 合成射流求解域瞬态控制方程
• 3.3.1 直接求解基本控制方程遇到的困难
• 3.3.2 Reynolds平均法时均化后的合成射流控制方程
• 3.3.3 Reynolds平均法构建完整求解方程组
• 3.4 合成射流求解域的离散化方法
• 3.4.1 合成射流求解域及其网格划分
• 3.4.2 合成射流外流场的求解域
• 3.4.3 驱动器开口部分的网格划分
• 3.4.4 驱动器腔体内部网格的划分
• 3.5 驱动器外部流场不同湍流模型仿真效果比较
• 3.6 驱动器内部流场分析
• 3.7 单隔膜平板型驱动器与压电活塞式驱动器射流效果仿真对比分析
• 3.8 振动膜振幅对驱动器效能的影响
• 3.8.1 振动膜振幅对于流场外流线图的影响
• 3.8.2 不同振动膜振幅驱动器出口处峰值速度频响特征
• 3.8.3 一周期内峰值速度产生相位与激励频率关系
• 3.9 腔体体积对驱动器效能的影响
• 3.10 开孔直径对驱动器效能的影响
• 3.11 本章小结
• 第四章 压电-活塞式合成射流驱动器特性测试
• 4.1 压电活塞式合成射流驱动器试件的制作与测试系统
• 4.1.1 驱动器试件的制作
• 4.1.2 测试系统
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 开孔直径对驱动器的影响
• 4.2.2 驱动器各频率下射流变化
• 4.2.3 腔体体积对驱动器的影响
• 4.2.4 无量纲参数μ
• 4.2.5 沿开孔中心线上射流强度变化
• 4.2.6 出口速度横向变化
• 4.2.7 新型驱动器与单隔膜平板式驱动器合成射流对比
• 4.3 流体仿真与测试结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 合成射流驱动器的电声类比模型
• 5.1 电声类比
• 5.1.1 电声参数的对比
• 5.1.2 声学系统的等效电路
• 5.2 单隔膜平板型压电合成射流驱动器的电声类比模型
• 5.2.1 单振动膜驱动器等效电路
• 5.2.2 等效电路参数值
• 5.2.3 等效电路分析求解
• 5.2.4 电路的谐相应频率
• 5.3 双振动膜压电合成射流驱动器的电声类比模型
• 5.3.1 双振动膜压电合成射流驱动器
• 5.3.2 双振动膜驱动器等效电路
• 5.3.3 等效电路分析求解
• 5.4 双振动膜类比模型验证
• 5.4.1 双振动膜驱动器试件
• 5.4.2 驱动膜振动位移的测量
• 5.4.3 射流速度测量
• 5.4.4 测试结果对比
• 5.5 压电活塞式合成射流驱动器的电声类比模型求解
• 5.6 本章小结
• 第六章 合成射流流场信号的分析与处理
• 6.1 HHT简介
• 6.1.1 固有模态函数（IMF）和经验模式分解（EMD）
• 6.1.2 信号两端端点延拓
• 6.1.3 判断EMD结束准则
• 6.1.4 Hilbert谱
• 6.2 合成射流信号的HHT分析
• 6.2.1 合成射流信号EMD分解
• 6.2.2 合成射流信号的FFT分析
• 6.2.3 合成射流信号的边际谱特性
• 6.2.4 合成射流信号的HHT谱特性
• 6.2.5 不同结构尺寸的合成射流信号HHT谱对比
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文完成的主要工作
• 7.2 论文的贡献与创新
• 7.3 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