用于推力方向控制的微射流技术

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流场控制以及基于此的发动机推力方向控制长期以来都是国内外火箭推进领域广大工程技术人员追寻的目标之一。经过人们长期的探索,在二十世纪九十年代初,国外出现了一种基于混沌理论和非线性复杂性理论的全新流场控制技术——微射流技术。该技术的核心是微射流,它是在电信号驱动的微作动器作用下产生的射流。其最大特点是:不需要专门的工质储箱,而是直接从环境获取工质。国外的研究表明,这种技术除了可用于流动方向控制外,在附面层控制、降低阻力、增强燃烧以及强化冷却等很多方面也有显著效果。鉴于此,本文对这项技术进行了初步的理论探索和实验分析,希望通过这些工作为后续的研究及将来的工程应用打下基础。 鉴于微射流技术和MEMS技术的紧密联系,本文对MEMS技术进行了概要介绍。而微射流场又和旋涡密不可分,所以文中也介绍了和旋涡相关的基本知识。 本文还通过求解二维粘性不可压N-S方程对微射流场进行了数值模拟。结果清晰的反映了作动器出口附近微射流场的形态,同时也再现了此区域内旋涡对的生成、迁移和扩散过程以及微射流对周围流体的卷吸作用。通过对作动器不同工作参数下流场的对比分析,得到了驱动频率对微射流形态的影响。结果显示:在作动器出口最大速度一定的情况下,当频率超过一临界值后将无法产生微射流,而产生另外一种形态的流动。这种流动的特点是:在作动器的“吐出”行程,其出口产生的旋涡对还来不及向下游迁移便进入了作动器的“吸入”行程,重新进入作动器腔体。 在微射流的原理性实验中,本文采用蜂鸣器代替微射流作动器,并以水作为工质,以墨汁作为染色剂。通过将蜂鸣器潜入水中,则可满足微射流作动器的工作条件。实验验证了理论计算的结果。在作动器出口附近,旋涡对逐渐卷起并向下游推进,而且旋涡对是不连续的。实验还对方波、三角波、正旋波及锯齿波等几种不同的驱动信号产生微射流的效果进行了对比。结果表明方波信号产生的微射流最强,锯齿波产生的最弱。实验测量了不同频率下微射流的流向长度,发现了如下规律:对特定几何结构及尺寸的微射流作动器,在输入功率一定的情况下,存在最佳频率使得微射流最强。
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