基于压电激励器的翼型流动分离控制技术研究

摘要

流动分离是流体力学中一种复杂而普遍的流动现象。在航空、航天等领域中，流动分离现象会导致飞行器在飞行过程中升力降低、阻力增加，甚至会引发失速现象，对飞行器的安全性能、操作性能等都有影响。在众多流动分离控制技术中，压电激励器由于结构简单、安装方便、耗能少等优点，具有广阔的应用前景。本文针对翼型流动分离控制问题，研究了基于压电激励器的翼型流动分离控制技术。
　　(1)从流动控制技术的应用现状入手，研究目前应用较多的翼型流动分离控制方法，提出基于压电激励器的翼型流动分离控制方法，对其关键作动器件—压电激励器进行设计。简要地介绍了压电效应及压电陶瓷材料的性能参数，以压电方程等基本理论为基础，建立了压电激励器的准静态响应位移及固有频率的理论计算公式，并优化了其结构尺寸，同时，对所设计的压电激励器进行了仿真分析。
　　(2)对压电激励器进行相关地面实验的研究。压电激励器的静态性能与理论计算及数值仿真的结果接近，验证了理论计算模型的准确性;对压电激励器进行幅频特性实验，4个压电激励器的谐响应性能基本维持一致，可用于风洞试验，而电压位移特性实验为风洞试验提供了有力的数据支持;同时，分析了实测值与理论计算值的存在误差的原因。
　　(3)开展基于压电激励器的典型翼型流动分离控制的风洞试验。采用PIV先进流场测试技术进行了大量的流场测试试验，试验结果表明:在来流风速15m/s，迎角18°-24°范围内，压电激励器工作时可以有效地抑制翼型模型的分离流动，可将气流分离推迟7°;压电激励器不同的工作频率对翼型流动分离现象的控制效果有一定的影响，且其振幅大小也会对其控制效果产生干扰。通过风洞试验，验证了压电激励器在流动分离控制技术中应用的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 课题的来源

1．3 翼型流动分离控制技术研究现状

1．3．1 流动控制技术简介

1．3．2 冀型流动分离控制技术的主要方法

1．4 本文的主要工作

2 压电激励器的结构原理及研制

2．1 压电效应及压电陶瓷

2．1．1 压电效应与压电方程

2．1．2 压电陶瓷的性能及参数

2．2 压电激励器的设计

2．2．1 压电激励器的设计要求

2．2．2 压电激励器的结构选型

2．2．3 压电激励器的直流响应模型

2．2．4 压电激励器的一阶固有频率

2．3 压电双晶片的材料及尺寸参数确定

2．3．1 压电陶瓷的选型

2．3．2 压电双晶片的尺寸优化

2．4 压电激励器的整体设计

2．4．1 压电激励器基座设计

2．4．2 压电激励器在翼型上的装配

2．5 压电激励器仿真分析

2．5．1 压电双晶片的准静态响应仿真分析

2．5．2 压电激励器理论强度分析

2．5．3 有限元强度仿真分析

2．6 压电激励器的加工制作

2．7 本章小结

3 压电激励器的性能实验研究

3．1 压电激励器性能测量试验系统

3．2 压电激励器准静态响应实验

3．2．1 准静态响应实验控制程序及软件界面

3．2．2 实验结果与分析

3．3 压电激励器幅频特性实验

3．3．1 幅频特性实验控制程序及软件界面

3．3．2 实验结果与分析

3．4 压电激励器电压位移特性实验

3．4．1 电压位移特性实验控制程序及软件界面

3．4．2 实验结果与分析

3．5 实验误差分析

3．6 本章小结

4 翼型流动分离控制风洞试验

4．1 实验模型、设备与技术

4．1．1 实验设备

4．1．2 实验模型

4．1．3 实验技术

4．2 翼型流动分离控制实验系统

4．2．1 PIV测量系统与粒子投放系统

4．2．2 压电激励器控制系统与程序

4．3 风洞试验结果与分析

4．3．1 不同迎角翼型流动分离控制效果

4．3．2 不同频率对流动分离控制效果的影响

4．3．3 不同振幅对流动分离控制效果的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢