合成射流是一種利用非連續(xù)射流進(jìn)行流動(dòng)控制的技術(shù)。
中文名稱 | 合成射流;零質(zhì)量射流 | 外文名稱 | synthetic jet; zero-net-mass-fluxjet |
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合成射流(英文名稱:synthetic jet)是一種由于激勵(lì)器交替吹吸周圍流體而產(chǎn)生的非連續(xù)射流。合成射流激勵(lì)器具有可以產(chǎn)生某種振動(dòng)機(jī)制(如活塞、壓電膜等)的空腔,空腔通過孔口與外界流體聯(lián)通。激勵(lì)器工作時(shí)交替吹吸周圍流體,吹出的流體由于剪切作用形成渦環(huán)并向遠(yuǎn)離孔口方向運(yùn)動(dòng),一定條件下可以不被吸回激勵(lì)器。合成射流具有僅對外輸出動(dòng)量而輸出質(zhì)量為零的顯著特征,因此又被稱為零質(zhì)量射流。與傳統(tǒng)的連續(xù)吹氣或吸氣流動(dòng)控制技術(shù)相比,合成射流具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕、成本低、維護(hù)方便、無需額外氣源等諸多優(yōu)點(diǎn),受到眾多研究者的廣泛關(guān)注。
1 射流曝氣的基本原理 射流器采用文丘里噴嘴, 工作水泵出水通過射流器的噴嘴,隨著噴嘴直徑變小,液體以極高的速度從噴嘴噴射出來,高速流動(dòng)的液體穿過吸氣室進(jìn)入喉管,在喉管形成局部真空,通過導(dǎo)氣管吸入(或...
射流泵組主要由水箱、離泵、射流器、真空表、壓力表和連接管道閥門等組成。 射流泵組具有加工制作簡單、運(yùn)行安全、維修方便、效果較好等優(yōu)點(diǎn)。 射流泵組工作原理 水箱充滿水后,啟動(dòng)離泵,使它...
射流泵 :依靠一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出帶走被輸送流體的泵。 射流泵的工作原理。工作流體Q 從噴嘴高速噴出時(shí)﹐在喉管入口處因周圍的空氣被射流卷走而形成真空﹐被輸送的流體Q S即被吸入。兩股流體...
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基于全射流噴頭射流元件的工作原理和內(nèi)部流動(dòng)狀況,分析射流元件附壁頻率的影響因素.利用元件兩側(cè)壓差大小,建立附壁頻率計(jì)算式,通過射流元件壁面脈動(dòng)壓力測量獲得的附壁頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù),頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好.計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明,附壁頻率隨元件腔室容積增大,信號水導(dǎo)管長度的變長而減小,隨噴頭工作壓力增大,信號水流量的增大而增大,對于PXH30全射流噴頭射流元件,獲得信號水流量與附壁頻率的線性關(guān)系式.在無因次數(shù)計(jì)算與分析中,噴嘴雷諾數(shù)對斯特勞哈數(shù)影響較小,斯特勞哈數(shù)隨歐拉數(shù)的增大而減小.附壁頻率的研究能指導(dǎo)射流元件的設(shè)計(jì)和全射流噴頭工作狀態(tài)的調(diào)節(jié).
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為了解決全射流噴頭信號嘴不便調(diào)節(jié)及旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的問題,對全射流噴頭信號嘴取水方式及噴體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提出了一種新型射流噴頭——外取水射流噴頭.采用外部取水信號嘴可以更加方便、直觀地進(jìn)行調(diào)節(jié),外部信號嘴又可以起到分水針的作用,促進(jìn)高速水流的裂變,提高了噴灑的霧化程度以及均勻性.雙噴體結(jié)構(gòu)的采用減弱了噴頭在工作過程中偏離鉛垂方向的現(xiàn)象.選取PXH型全射流噴頭進(jìn)行對比試驗(yàn).結(jié)果表明,相同壓力下,外取水射流噴頭的射程比全射流噴頭增加2.5%左右,且平均雨滴直徑減小0.5 mm左右,因此其霧化效果也更好.外取水射流噴頭徑向水量分布曲線呈"三角形",比全射流噴頭更有利于組合分布.采用Matlab語言對噴頭組合分布均勻性進(jìn)行仿真計(jì)算,在方案所選間距中,提出工作壓力分別為0.15,0.20,0.25 MPa時(shí),外取水射流噴頭正方形布置最佳組合間距為R,1.1R和R,組合均勻系數(shù)值分別為78.3%,83.9%和87.6%.
合成射流技術(shù)(Synthetic jet)是國際上近幾年提出的一種全新的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)與傳統(tǒng)有源射流控制相比,合成射流的產(chǎn)生不需要集中的壓力氣源、閥門和管道等裝置,工作時(shí)只需消耗電能驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器內(nèi)的振動(dòng)膜,產(chǎn)生脈動(dòng)壓力轉(zhuǎn)變成單方向射流盡管對周圍的流體來說,合成射流沒有給予額外的質(zhì)量,但會增加動(dòng)量,從而引起外界流體的動(dòng)量變化在1994年,美國佐治亞理工大學(xué)的Smith和Glezer等人將零質(zhì)量射流激勵(lì)器成功地用于流動(dòng)控制,并引起了廣泛的關(guān)注,合成射流激勵(lì)器的機(jī)理及應(yīng)用研究也逐漸成為熱點(diǎn)。
該項(xiàng)技術(shù)目前正處于探索與應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段,國外對該技術(shù)在分離流動(dòng)控制、前體渦控制以及射流矢量偏轉(zhuǎn)控制等方面開展了許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,取得的進(jìn)展令人鼓舞,但仍有許多機(jī)理和應(yīng)用方面的問題需要進(jìn)一步研究和探索。國內(nèi)在這方面的研究起步雖然較早,但相對集中的研究還是近些年的事,還有很大發(fā)展空間。開展合成射流激勵(lì)器工作機(jī)理研究和進(jìn)行邊界層分離控制應(yīng)用研究,不僅有助飛行器的減阻增升,改善飛行性能和飛行品質(zhì),甚至可控制流動(dòng)分離干預(yù)飛行器非對稱繞流,進(jìn)而獲得更大的氣動(dòng)效益,這對飛行器的后期精細(xì)化設(shè)計(jì)和真實(shí)飛行流動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
李斌斌設(shè)計(jì)了一斜出口合成射流激勵(lì)器,應(yīng)用美國TSI二維非接觸粒子圖像激光測速技術(shù)對出口非定常流場特性進(jìn)行了研究,得到了該激勵(lì)器的瞬態(tài)和時(shí)均流動(dòng)結(jié)機(jī)結(jié)果表明,傾斜出口下合成射流具有沿壁面的動(dòng)量輸運(yùn)特性,并對該激勵(lì)器在邊界層分離流動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,斜出口合成射流激勵(lì)器可以顯著增加邊界層底層能量,非常有利于進(jìn)行邊界層分離控。
基于鈍體繞流卡門渦周期性反對稱脫落會引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)、誘發(fā)氣動(dòng)噪聲這一物理現(xiàn)象,本項(xiàng)目創(chuàng)新性的提出了合成射流控制圓柱繞流的一種新的思路:改變尾跡渦固有的脫落模式。本項(xiàng)目將合成射流對稱地布置在圓柱分離點(diǎn)附近,研究了尾跡渦演化發(fā)展的動(dòng)力學(xué)過程,揭示合成射流旋渦與圓柱壁面邊界層/剪切層/尾跡渦相互作用的物理機(jī)制,分析了不同激勵(lì)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)而獲得了合成射流有效控制的優(yōu)化參數(shù),最終為合成射流控制渦脫落模式這一新思路提供了充實(shí)的科學(xué)依據(jù)。本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括: 1、揭示了合成射流控制下圓柱繞流典型尾跡渦演化模式的發(fā)展規(guī)律。固定來流雷諾數(shù)為Re=1200,改變合成射流激勵(lì)參數(shù),實(shí)驗(yàn)研究觀測到圓柱尾跡渦脫落呈現(xiàn)出幾種不同的脫落模式,即2S反對稱模式、2P對稱模式、2(P S)反對稱模式、雙穩(wěn)態(tài)模式和2S對稱模式,詳細(xì)分析了尾跡渦演化發(fā)展的動(dòng)力學(xué)過程。 2、提出了一種有效的模態(tài)分解方法即全場特征頻率分解(GED)方法。GED模態(tài)分解方法簡單快捷有效,以全場功率譜密度為特征頻率的選取依據(jù),可以得到特征頻率對應(yīng)的全場振幅譜、相位譜和模態(tài),應(yīng)用該方法成功地分析了不同脫落模式的頻譜特性和差異。 3、揭示了不同尾跡渦脫落模式產(chǎn)生的物理機(jī)制。綜合應(yīng)用流動(dòng)顯示和微距鏡頭拍攝的PIV結(jié)果,提出兩種關(guān)于尾跡渦的分離與融合機(jī)制,較為有效地揭示了不同尾跡渦脫落模式的產(chǎn)生機(jī)理。 4、分析了不同激勵(lì)參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)動(dòng)量系數(shù)Cμ、激勵(lì)頻率fe和沖程A三個(gè)參數(shù)均會對圓柱尾跡渦脫落模式產(chǎn)生影響。合成射流只有在具有足夠的動(dòng)量系數(shù)和一定的射流沖程下才能改變圓柱尾跡渦的脫落模式。激勵(lì)頻率決定了向剪切層內(nèi)輸入動(dòng)量和渦量的周期,影響不同尾跡渦脫落模式產(chǎn)生。 5、通過數(shù)值模擬研究了合成射流布置于分離點(diǎn)附近時(shí)對圓柱繞流及氣動(dòng)力特性的影響規(guī)律。固定來流雷諾數(shù)Re=500,發(fā)現(xiàn)不同尾跡模式的分布表現(xiàn)為合成射流動(dòng)量系數(shù)和頻率的函數(shù),在特定工況下尾跡渦呈現(xiàn)對稱模式,此時(shí)圓柱升力脈動(dòng)可以被完全抑制。 6、提出了在圓柱前駐點(diǎn)與分離點(diǎn)附近開通槽控制圓柱繞流的控制方法。通槽出口射流與邊界層作用,可以推遲流動(dòng)分離點(diǎn)到通孔下邊界,并進(jìn)一步影響剪切層發(fā)展,圓柱繞流雷諾數(shù)Re = 780、1470,通槽寬度w/D = 0.1、0.2時(shí), 可以誘導(dǎo)產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)模式。 2100433B
射流閥從結(jié)構(gòu)上可分為射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥兩種。
1、射流管閥
射流管閥,它主要由射流管1,接收器2,轉(zhuǎn)軸3和對中彈簧4等組成,如圖1所示。
壓力油通過轉(zhuǎn)軸3引入射流管1,射流管射出的液流沖到接收器的二個(gè)接收孔上,二孔分別將液流導(dǎo)向油缸的兩腔。液壓能通過射流管的噴嘴轉(zhuǎn)換為液流的動(dòng)能,液流被接收孔分流接收后,又轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ茉谝簤焊變汕恢须莱蓧毫Σ?。?dāng)控制位移xi=0時(shí),射流管1處于中位,兩個(gè)孔分流接收的液體流量相等,液壓缸兩腔的壓力也相等,活塞不動(dòng)。當(dāng)xi不等于0時(shí),射流管繞轉(zhuǎn)軸3偏轉(zhuǎn),兩個(gè)接收孔分流接收的液體流量不相等,其中一孔增加,另一孔減少,從而使液壓缸兩腔的壓力不等,產(chǎn)生壓差使活塞運(yùn)動(dòng),活塞運(yùn)動(dòng)的速度與xi的大小成正比,方向與xi相對應(yīng)。
2、偏轉(zhuǎn)板射流閥
偏轉(zhuǎn)板射流閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖2中b)為射流盤的水平截面圖。該閥的射流管1固定不動(dòng),另設(shè)一可移動(dòng)的偏轉(zhuǎn)板2于噴口與接收器3之間,前一級的控制元件可操縱偏轉(zhuǎn)板2平移,當(dāng)偏轉(zhuǎn)板平移xi后,兩小孔分流,使其接收的液流不等,形成壓差PL=P1-P2,推動(dòng)級活塞運(yùn)動(dòng)。
上述兩種結(jié)構(gòu)的射流液壓放大的基本原理相同,液體靜壓能通過射流管噴嘴高速噴出轉(zhuǎn)換成液流的動(dòng)能,在接收器前分流,且被接收器的二小孔接收,然后又將其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?,形成壓差PL=P1-P2。不同的是分流方式不同:射流管閥是轉(zhuǎn)動(dòng)射流管分流,是射流管管口;而偏轉(zhuǎn)板射流閥是移動(dòng)偏轉(zhuǎn)板分流,分流噴口是偏轉(zhuǎn)板的小孔口。