可调合成双射流激励器机理及其自适应流动控制系统设计研究

气动技术向"流动可变、可控"的发展是流体动力学重要发展趋势，自适应主动流动控制技术在航空航天领域具有广阔的应用前景，合成射流激励器是国际上主动流动控制领域最重要的研究热点之一。具有自主知识产权的合成双射流激励器不但有效解决了激励器压电振动膜工作失效和能量利用效率不高的问题，而且具有常规合成射流激励器所不具备的自身矢量可调功能。本项目将通过理论分析、数值模拟和实验相结合的方法研究可调合成双射流激励器的工作特点、流场特征及其对不同流动的调节控制机制，设计基于可调合成双流激励器的典型自适应流动控制系统并开展自适应流动控制研究，为可调合成双射流激励器进入新一代主动流动控制技术最重要作动器行列奠定基础，并使我国自适应流动控制技术在国际上占有一席之地。

本项目基于课题组发明专利，提出了可调合成双射流激励器。调流滑块是可调合成双射流激励器的核心部件，其设计直接影响可调合成双射流激励器的控制特性和使用性能，对比了智能材料和微型步进电机控制方式，确定了微型步进电机控制方式，并组建了调流滑块控制系统。通过“电－力－声”类比，建立了类比等效线路和传递函数，分析了可调合成双射流激励器合成双射流频率特性及其延迟相位角频响特性。在X-L模型的基础上，建立了可调合成双射流激励器全流场计算模型，开展了可调合成双射流激励器的二维和三维数值模拟研究，分析了合成双射流流场特性包括三维流动结构、合成双射流涡对的发展演变规律、涡对间相互作用规律以及随调流滑块运动的变化规律。分析了合成射流激励器腔体、出口参数和调流滑块构型对合成双射流流场的影响特性，以及压电振子可调边界条件对振动膜振幅的影响，确定了可调合成双射流激励器一体化设计方案。以合成射流掺混增强为应用背景，选取适当的性能评价指标对激励器的几何参数进行了优化设计分析。可调合成双射流激励器自身具有矢量控制特性，通过引入以射流冲程为基础的无量纲距离，建立了射流矢量角的计算方法，并以此为评价指标分析了合成双射流激励器无量纲结构参数对射流矢量角的影响机制和规律，获得了各参数对射流矢量角影响的显著程度，提出了激励器结构参数设计的原则。通过数值计算分析了可调合成双射流激励器对机翼边界层流动和主流矢量的控制特性，揭示了合成双射流对主流矢量控制的物理机制。研制出可调合成双射流一体化样机，通过PIV流场显示试验，研究了其流场特演化过程，分析了不同驱动参数（电压和频率）和调流滑块位置时，合成双射流的流场特征。建立了基于射流核心区速度矢量的评价方法，采用纹影和PIV流场显示试验研究了可调合成双射流激励器驱动参数（电压和频率）和调流滑块位移对射流矢量特性的影响规律。针对大功率LED散热问题，提出了基于合成双射流的主动散热方式，对比可调合成双射流激励器对不同功率LED灯的散热效果，分析了射流角度、射流间距对LED灯散热性能的影响。考虑到合成双射流流场的分区特性，射流距离存在一个最佳值，使得此时散热效果最好。组建了基于可调合成双射流激励器的散热自适应控制系统，并开发出了相应的操作界面，通过散热试验验证了自适应系统的控制性能和效果，该系统能合理调控可调合成射流激励器的工作参数和时间，提升激励器的使用寿命。