面向虚拟气动外形控制的微型合成射流器阵列技术

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51105317
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
25.0万
负责人：
邓进军
依托单位：
西北工业大学
学科分类：
E0512.微纳机械系统
结题年份：
2014
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2014-12-31

项目参与者：
姜澄宇；郝礼书；吕海峰；任森；侯辉；沈丹东；
关键词：
虚拟气动外形主动流动控制微机电系统合成射流器阵列

项目摘要

气动隐身一体化设计对飞行器流动控制技术提出了新的挑战，发展隐身约束条件下的先进主动流动控制技术是空气动力学领域的热点问题。.由于可在不改变飞行器实际外形的前提下形成虚拟气动外形，合成射流技术被认为是最具发展潜力的主动流动控制技术之一。然而目前合成射流器的微型阵列化和组合控制是其实现虚拟气动外形控制应用的主要瓶颈，微机电系统（MEMS）技术的出现为此提供了强有力的技术手段，并形成了流体与机械交叉学科前沿发展方向，具有重要的科学意义和应用前景。.本项目主要研究单元独立可控且可相互耦合的微型合成射流器阵列，建立其控制模型，设计阵列排布结构和组合控制方案，研究集成化制造方法，并对控制效果进行验证，以期为推动先进主动流动控制技术的应用提供理论和技术基础。

结项摘要

本项目以微型合成射流器及其阵列为主要研究对象，对虚拟气动外形控制方案及数值模拟、微型合成射流器及其阵列的结构设计及关键工艺技术、微型合成射流器性能测试与控制效果验证等方面展开了研究，取得了以下研究结果：. 建立了单个器件的多域耦合仿真模型，考察了结构参数对器件性能的影响规律。在此基础上，采用将振膜振动位移简化为按正弦规律变化的位移边界条件的形式，考察了相邻单元间射流耦合效应，获得了器件间距、相位差、振幅以及驱动频率等参数对耦合流场的影响规律。以标准翼型为控制对象，采用CFD仿真对合成射流器阵列的虚拟气动外形控制方案进行了验证，结果表明，相较于原始翼型升力系数，合成射流器阵列控制下的翼型边界层分离流动状态以及升力系数均获得明显改变和提升。. 采用微尺度多域耦合仿真模型，以喷口射流速度为优化目标，对器件结构尺寸及驱动参数与射流速度的相关性进行了分析，获得了优化结构参数。建立了基于化学机械抛光减薄和湿法腐蚀的压电厚膜体加工工艺。针对压电振子与硅基结构一体化工艺流程中的兼容性问题，采用中间层键合工艺实现PZT与硅片的结合，采用化学机械抛光减薄技术及湿法腐蚀技术实现压电层的结构图形化。研究了粘接剂材料的键合强度以及不同腐蚀液配比的刻蚀效果，获得了理想的样件加工结果。. 采用激光多普勒测振法对器件振膜的振动特性进行了测试，采用热线风速仪对喷口速度进行了测试，采用粒子图像测速法（PIV）对器件喷口流场分布特性进行了表征。结果表明，器件喷口速度随驱动频率变化在共振频率附近产生峰值，并随驱动电压的增大而增加，相邻单元间的相位差可使射流产生偏转，测试结果验证了结构设计及控制参数的合理性。. 最后，本项目结合无人机机翼失速特性控制的风洞实验，在机翼前缘上表面采用合成射流器阵列进行了虚拟气动外形流动控制。实验结果显示，合成射流器阵列成功使得机翼最大升力系数产生显著提高，达到了预期的控制效果，验证了控制方案的可行性。