一种行波壁减阻器及控制行波壁减阻的方法

摘要

本发明采用电流变阀或磁流变阀控制的行波壁减阻器以及控制行波壁减阻的方法，特征是：用油泵在由油箱、过滤器、油泵、流变阀、软管、流变阀和油箱构成的流变液循环油路中产生高压和低压区；在一组平行排列的弹性软管上覆弹性膜构成行波壁面，装在航行器表面；使流变液在软管中流过；以单片机控制系统调制可控直流电源控制各弹性软管两端流变阀中的电压或电流以使行波壁面形成与运动方向相反的行波；所述流变阀可采用电流变阀或磁流变阀，其流变液相应采用电流变液或磁流变液。利用本发明可按要求设计行波壁减阻面，便于布置在航行器表面，方便地调节行波速到合适值，响应速度快；流体阻力和能量损失低；能耗、体积比和成本比机械行波壁小得多。

说明书

技术领域：

本发明属于流体减阻技术领域，特别是涉及采用电流变阀或磁流变阀控制的行波壁减阻器及其控制行波壁减阻的方法。

背景技术：

在流体中高速运动的物体，如飞机、火箭、汽车、舰船、鱼雷等，都会受到流体的阻力影响而消耗大量能量，同时也限制了物体的运动速度。因此，如何减少流体阻力非常重要。目前采用的减阻方式有多种，例如优化物体的外形如采用流线型、水滴形，提高物体的表面光洁度，使用特殊处理的表面如“鲨鱼皮”、“海豚皮”等。但现有方法都无法消除流体的粘性阻力，所以仍不可能达到大幅减阻的目的。

近年来，行波壁减阻的研究成为国内外该领域的一个热点。所谓行波壁减阻，就是构造一种智能型的物体表面，此表面可以按照一定波长、波幅和波速产生一个沿表面运动的行波，从而改变表面的流体运动状态，达到减阻的目的。

1990年在加拿大多伦多发表的《国际非稳态流体动力学讨论会论文集》[Inter.Symp.Nonsteady Fluid Dynamics，Toronto，Canada，SIAM(1990)359]和荷兰爱思唯尔(Elsevier)出版社出版的《应用力学进展》(Advances in Applied Mechanics，Academic press，1996，32：119-275)经过计算从理论上证明，对于无粘流在无限长二维行波壁时，当来流速度U与波速C之间存在关系C/U＝0.414时，流动自发达到周期状态，而在行波壁每个波谷处产生稳定的涡，产生“滚珠轴承效应”，这时，理论上总阻力为零。

但是根据《日本物理学会期刊》(Journal of the Phys ical Society of Japan，Vol.36，No.6，June，1974pp.1683-1689)、美国期刊《飞机科技进展》(Prog.Aerosp.Sci.，1977，85：287-348)和联合出版物研究处出版的《苏联仿生学》(USSR Bionics Trans.，JPRSL/9420，Dec.1980)介绍，现有的行波壁运动是用纯机械方式造成，从应用角度看，其能量损耗大，体积过大，只能做成平面形状，在实际的航行器上难以应用。

据罗德公司主页(URL：http：//www.mrfluid.com)介绍：磁流变液是这样一类液体的总称：当不加磁场时，这类流体与普通的牛顿流体性质相似，而一旦加磁场，流体性质会发生急剧变化，呈现出类固体的特征，剪切屈服强度和表观粘度会增加若干个数量级，去除磁场后，材料又会回复到原来的状态。这种变化可以瞬间完成(毫秒量级)。磁流变液是一种由低磁导率的母液和均匀散布在其中的高磁导率微粒(如铁粉)组成的悬浮液。

据《力学进展》[第24卷第2期(1994年)154-162页]介绍：电流变液是这样一类液体的总称：在外加电场的作用下，液体的粘性会随电场强度的增加而明显增大；当电场强度达到某一临界值时，它会发生相变而迅速固化。固化过程在瞬间即可完成，所需时间通常在千分之一秒；该过程具有可逆性，即在电场撤消之后，电流变液又马上会从固态变成液态。上述在电场作用下流变特性发生变化的现象称为电流变效应。通常，电流变液是一种两相悬浮体系，由不导电的母液和均匀散布在其中的电介质微粒组成。

《实验力学》第13卷第2期(1998年6月)168-173页指出，如果在流体流动的管道内某一位置的两侧分别设置电极(或磁极)，施加电场(或磁场)后，流经此处的电流变液(或磁流变液)的流体粘度增加，这样就可以改变此处上下游的流体压差，并且其大小可以用此处电场(或磁场)的大小无级调节，这就是电(磁)流变阀的工作原理。

但至今电、磁流变阀还处在初步探索阶段，尚未见到在工程中实际应用，尤其是未见到将其用于控制行波壁减阻的报道。

发明内容：

本发明提供一种采用电流变阀或磁流变阀控制的行波壁减阻器以及控制行波壁减阻的方法，以克服现有机械方式行波壁减阻方法的上述缺点。

本发明的行波壁减阻器，其特征在于：将一组不少于5个两端开口的弹性软管10平行排列固定在基底11上，每个软管10的一端装有进口流变阀12A，另一端装有出口流变阀12B；在全部软管10的排列面上贴整张弹性膜13；按照油箱14、过滤器15、油泵16、流变阀12A、软管10、流变阀12B和油箱14的顺序构成流变液循环油路，油箱14中贮备流变液，在油泵16的出口和油箱14之间连接可调节流器17；以单片机控制系统18给出控制信号调制可控直流电源19控制各弹性软管10两端的流变阀12A和12B中的电压或电流大小；整张弹性膜13的表面即成为行波壁减阻面13，即构成行波壁减阻器；所述的流变阀12可采用电流变阀或磁流变阀；所述油箱14及其循环油路中的流变液相应地采用电流变液5或磁流变液9；

所述单片机控制系统18采用直流稳压电源24作为控制系统总电源，使用稳压芯片25A将电源电压转换后获得单片机26和串行-并行数据转换芯片27需要的工作电压；单片机26给出的串行数据信号经串行-并行数据转换芯片27转换成并行数据，分别控制可控直流电源19的各路电压控制单元；用跳线开关30确定单片机26的工作频率；

所述可控直流电源19的控制电路为多路相同的电压控制单元的并联系统，其控制路数为所需控制流变阀的数目，其中某一路的电压控制单元为：将直流稳压电源24作为系统的最高电压，使用稳压芯片25B将电压源的电压转换成输出端所需的各级电压V1～Vn，按电压精度要求设置电压的级数，每一个电压输出端通过一电路开关28和本单元的最终输出端OUT相连，由上述单片机控制系统18所给出的信号经放大电路29放大后分别控制这些开关的开闭，从而按要求将不同的电压输出端和最终输出端OUT相连而输出所需的电压；所述电路开关28可采用三极管做数字开关或直接使用继电器开关。

当所述流变阀12采用电流变阀时，其特征在于：在用不导电材料制成的电流变液通道1内设置有间隙4相距0.5-2毫米的一对电极板2、3，将电极板2、3引出分别与可控直流电源19的正、负极相连接；电流变液5经通道1流过电极板2、3之间的间隙4；通过控制电极2、3间电压的高低可改变从正负极板2、3间隙4中流过的电流变液5在通道1两侧的流体压力差，从而构成电流变阀。

当所述流变阀12采用磁流变阀时，其特征在于：由铁磁性材料制成的铁芯6穿过电磁线圈7构成电磁铁，将线圈7的接头引出和可控直流电源19的正、负极相连接；用非铁磁性材料(如有色金属、工程塑料、工业陶瓷)制成的磁流变液通道8置于电磁铁产生的磁场内和磁力线垂直的方向上；通过改变电磁线圈7中的电流或线圈7两端的电压，可控制流过通道8的磁流变液9的流动阻力，从而构成磁流变阀。

上述采用磁流变阀时的行波壁减阻器系统中，也可以采用旋转圆盘的方式控制所述磁流变阀的磁场，其特征在于：在底板23上安装可绕其轴线旋转的圆盘20，在圆盘20的边缘处固定永磁体21，同时在靠近圆盘20边缘处的底板23上固定磁流变阀12；以电机22带动圆盘20旋转，永磁体21在旋转过程中周期性地靠近和离开阀门而改变阀门间的磁场强度，通过改变电机22的转速可以控制磁流变阀12的磁场变化周期。

上述行波壁减阻器中的弹性软管10也可以采用一面敞开并蒙上弹性膜，其它面封闭的槽体来代替，该弹性膜可随内压改变而变形。

本发明的采用电流变阀或磁流变阀控制行波壁减阻的方法，其特征在于：把行波壁减阻面13固定在待减阻的运动物体表面，贴在弹性膜13背面的一组软管10内通流变液沿垂直于流体运动的方向依次平行摆放固定在基底11上；用单片机控制系统18编程后给出控制的信号，调制可控直流电源19分别控制各软管10两端的进口流变阀12A和出口流变阀12B以分别控制各软管10内的压力：按各软管10的排列顺序依次控制各进口电流变阀两极板2、3之间的电压、或磁流变阀电磁线圈7中的电流强度按照设定的周期从零到最大值再减少到零按周期性循环变化；但其后面的出口磁流变阀的线圈或电流变阀的极板电压按顺序依次比上一个阀推迟一个相位，使构成一个完整的变化周期，每个出口流变阀比相应的进口端阀推迟二分之一个周期的相位，使两者的电压或电流之和为定值；进口阀封闭，出口阀打开时弹性软管内压最小，进口阀打开，出口阀封闭时内压最大，如此控制各弹性软管10中的压力，使弹性软管一个接一个的依次波动，产生沿软管排列方向运动的行波，使贴在各平行弹性软管10上的行波壁减阻面13产生完整的周期性行进波形；油泵16使油箱14中贮备的足量流变液，经过滤器15在油路系统中循环，通过可调节流器17调节高压端油压使其可以将弹性软管膨胀到最大而又不至于胀坏软管；通过调节磁流变阀电磁线圈7中的电流强度或电流变阀极板2、3间的电压高低来改变行波壁的波幅，调节控制系统18的输出信号来改变行波壁的周期；当需要减阻的流体流过行波壁表面弹性膜13时，根据流体流速调节行波壁波速达到合适的C/U比例，形成“滚珠轴承效应”，从而可使流体阻力大大降低。

本发明由于设计了液压驱动的行波壁面并将其和电流变阀或磁流变阀的控制结合，使用电流变阀或磁流变阀按要求控制弹性软管内的压力，产生需要的动作，并且弹性软管可以布置在任意外形的物体表面上，克服了纯机械方法消耗能量多，体积大和只能做成平面形状的缺点。本发明的减阻系统具有以下优点：

1)相对于通用的减阻方法，理论上讲，行波壁绕流，流体阻力可以降为零，大大减少能量损失；

2)由于使用磁流变阀控制行波壁，系统的能耗和体积都比同类的机械行波壁系统小得多，更具有实用性；

3)可以按要求的大小设计，以使得其能很方便的布置在航行器表面；

4)控制响应速度在毫秒量级，调节方便；

5)相对于现有的机械行波壁系统，成本较低。

附图说明：

图1为本发明的行波壁减阻器的系统原理图。

图2为行波壁面示意图。

图3为电流变阀的结构原理示意图。

图4为磁流变阀的结构原理示意图。

图5为采用旋转圆盘方式控制磁流变阀磁场示意图。

图6为控制系统原理示意图。

图7为单片机控制系统18的控制电路原理图。

图8为可控直流电源19中的其中一路的电压控制电路原理图。

具体实施方式：

实施例1：采用电控磁流变阀的行波壁面减阻器及其控制方案

按图1所示组装成行波壁面减阻器系统：本实施例中使用医用输液乳胶橡皮管作为弹性软管10，将一组5个两端开口的长度为10厘米的橡胶弹性软管10平行摆放固定在基底11上，在全部软管10排成的尺寸为10厘米X8厘米的表面上贴整张弹性膜13如图2所示；每个弹性软管10两端各装有一个流变阀12：进口流变阀12A和出口流变阀12B，该流变阀12可采用电流变阀或磁流变阀，本实施例中采用了10个磁流变阀；按照油箱14、过滤器15、油泵16、磁流变阀12A、软管10、磁流变阀12B和油箱14的顺序构成循环油路，在油泵16的出口和油缸14之间连接上可调节流器17；油箱14中贮备了足量的磁流变液，在油泵16的作用下在油路系统中循环，使用可调节流器17来调整高压端的油压，管内的最大油压变化范围为0.2Mpa。过滤器15用来过滤大颗粒杂质。用单片机控制系统18给出控制的信号，调制可控直流电源19对各流变阀分别进行独立控制(具体控制方法在后面作详细说明)，以使弹性膜13表面的行波运动方向与流体运动方向一致成为行波壁减阻面13，即构成行波壁面减阻器。

图4给出了本实施例的磁流变阀的结构示意图：使用铝合金制成磁流变液的进出通道8，用电工纯铁制成C型铁芯6，开口处可做成两个相距2mm相对的直径为10mm的圆柱形磁极(这里只是给出一种方案，也可以采用矩形等其它形状)，磁流变液通道8的中间部分做成与圆柱形磁极形状相匹配的圆柱形腔体置于两个圆柱形磁极之间；用CJ10-60交流接触器线圈套在C型铁芯6的中段作为磁流变阀的电磁线圈7，将线圈7的接头引出和可控直流电源19的正、负极相连接，其额定电压为24V，线圈可产生最大磁场强度达400mT。电磁线圈7通上电流后，铁芯6的开口处形成N和S极，经通道8流过圆柱形腔体的磁流变液9在磁场内流动的方向与磁力线方向垂直。由于磁流变效应引起了磁流变液类固化，使磁流变液具备了抗剪切能力，其剪切屈服强度的大小可以通过调节电磁线圈7中的电流大小无级控制。使用美国LORD公司的磁流变液，在400mT下可达到30kPa的剪切屈服强度。因为磁流变液9经过磁流变阀后的流体压降和其剪切屈服强度成正比，所以可以使用磁流变阀控制进出流体的压力差。

软管10内的压力控制原理为：高压端油压为p_m，低压端油压为p₀。进口端磁流变阀压降Δp_in，出口端磁流变阀压降为Δp_oul。进口阀封闭，出口阀打开时弹性软管内压最小，进口阀打开，出口阀封闭时内压最大，使用单片机控制系统18控制磁流变阀中电磁线圈7的电流强度 $>>>I>in>>=>>>>I>max>>>(>1>+>sin>\omega t>)>>>2>>,>>>$ >>>I>out>>=>>>>I>max>>>(>1>->sin>\omega t>)>>>2>>,>>>式中，I$$_in为进口端线圈电流强度，I_oul为出口端线圈电流强度，I_max为最大电流强度。这样可以改变磁流变液剪切屈服强度，使： $>>>\tau >in>>=>>>>\tau >max>>>(>1>+>sin>\omega t>)>>>2>>,>>>$ >>>\tau >out>>=>>>>\tau >max>>>(>1>+>sin>\omega t>)>>>2>>,>>>式中\tau $$_in为进口端磁流变液的屈服强度，τ_out为出口端磁流变液的屈服强度，τ_max为磁流变液可达到的最大屈服强度。同时，调节可调节流器17使高压端油压 $>>>p>m>>=>2>>L>h>>>\tau >max>>+>>p>0>>.>>>此时，软管10内的油压为$ >>p>=>>>>\tau >max>>>(>1>->sin>\omega t>)>>L>>h>>+>>p>0>>.>>>而软管10的外径也会相应地发生周期波动。将p＝p$$₀时作为波谷， $>>p>=>>L>h>>>\tau >max>>+>>p>0>>>>时作为零点，$ >>p>=>2>>L>h>>>\tau >max>>+>>p>0>>>>时作为波峰。软管10的运动可以看作是周期为\omega 的正弦波动。将5个软管按顺序摆放，依次使控制电压滞后\pi /2相位，造成软管按次序起伏，可以构成一个波长。这样5个软管依次固定在基座11上后，推动表面弹性膜按次序起伏波动，就可以形成一个完整的波形。表面附以弹性膜13后就构成了行波壁。使用5个软管组成的行波波长50mm，波幅约5mm。调节油压、电流强度和控制周期可以改变行波壁的波幅和周期。$$

图7给出了单片机控制系统18的控制电路原理图。本实施例中的单片机控制系统18中使用的主要器件为：89C2051型单片机；74HC595型串行数据到并行数据转换芯片；s8050NPN型三极管；s8550PNP型三极管；7805型12V至5V稳压芯片；7812型24V至12V稳压芯片；4007二极管等。各器件的连结组合方式如图7所示：稳压芯片7812的2脚接地，1脚接+24V电源，3脚输出12V电压。稳压芯片7805的2脚接地，1脚接12V电压，3脚输出5V电压。单片机89C2051的2、3、9、11、15、16、17、18和20脚空置。1脚经10u电容C3连接+5V，同时经10k电阻R60接地。4脚经30P电容C1接地，同时经12M的晶振和5脚相连。5脚经30P电容C2接地。6、7、8脚分别连接3个74HC595芯片的11、12脚和第一个74HC595的14脚。10脚接地。12、13、14脚连接跳线开关S3、S2和S1后接地，另一端各自经1k电阻R41、R43和R42连接+5V。16和20脚之间连上电阻R65和发光二极管D21并接上+5V，显示系统工作状态。由S3、S2和S1组成的跳线开关30确定单片机26的工作频率。3个串行-并行转换芯片74HC595中，第一个的14脚从单片机获得串行信号，它的9脚和第二个74HC595的14脚相连，第二个的9脚和第三个的14脚相连，共同处理控制信号。三个芯片的8和13脚连在一起。16脚都连接+5V，10脚空置，15、1、2、3、4、5、6、7脚输出将89C2051单片机的串行数据信号转换后的并行数据控制信号IN1-1、IN1-2、IN2-1、IN2-2...依次类推，分别控制10个单阀电压控制单元。本实施例中采用苏州安伏电子有限公司生产的EFORE牌AC/DC-DC多组输出可调直流电源为控制系统(即单片机控制系统18和可控直流电源19)提供24V电源。

控制磁流变阀电磁线圈7中的电流强度按周期性变化，如按正弦函数变化，具体实施方法是：编写程序，使某一路输出电平按照0伏、12伏、24伏、12伏然后再恢复到0、12、24、12伏的方式周期循环变化，是对正弦函数的数值近似。阀的电压的控制采用数字开关电路的方法。图8给出了可控直流电源19中的其中某一路的电压控制电路原理图：s8050三极管Q14的发射极接地，基极经1k电阻R26和上述的74HC595芯片的一个信号输出15脚相连，接收IN1-1信号，集电极经10k电阻R61连接+12V，同时经5.1k电阻R28连接s8550三极管Q28的基极。Q28的发射极和+12V相连，集电极连接单元电压输出端OUT1。当74HC595芯片给Q14基极高电平1信号时，信号被其放大用于接通Q28，OUT1输出+12V。使用同样型号的s8050三极管Q16、s8550三极管Q38，采用同样的连接方法将+24V电压和OUT1相连。但是Q16的基极和上述的74HC595芯片的1脚相连，接收IN1-2信号，Q28和Q38的集电极间用4007二极管D16隔离，Q28至Q38为反向截止，OUT1和地线间用4007二极管D14隔离，OUT1至地线为反向截止。当两个s8050的基级都为0(低电平)时，两个s8550三极管是不导通的。所以输出为0电压。当其中一个s8050的基级为1(高电平)时，就会打开相应的s8550而使电源(12V或24V)和输出端相通，输出相应的电压(12V或24V)。两个s8050的基级同时为1(高电平)的情况是不允许发生的。这样通过控制信号给出(0，0)，(1，0)和(0，1)就能从电压输出端得到0，12V和24V的电压。为满足更高的电压精度要求，可以使用更多不同电压的稳压芯片获得多级电压，并按照上述的输出控制方式增加输出接点，通过控制各接点开关的通断，可以输出更多种类的电压，这样对特定函数电压变化的拟合会更准确。

本实施例中采用一组5个两端开口的橡胶弹性软管10，其进口端和出口端共10个磁流变阀的周期控制，让电压如下变化：进口端5个磁流变阀的线圈都按照24、12、0、12伏的四相方式周期循环供电，但是后一个线圈按顺序依次比上一个线圈推迟一个相位。出口端5个磁流变阀的线圈按照0、12、24、12伏的四相方式周期循环供电，后一个线圈也按顺序依次比上一个线圈推迟一个相位。

输出信号的周期是由软件的计时子程序中计时算法循环的次数与循环时间的乘积来决定的，改变控制周期的方法有两种：1.循环时间和主板主频率成正比，通过跳线改变主板的主频率，可以改变输出信号的周期；2.在频率不变时，修改子程序中的循环次数也可以改变输出信号的周期。

经过调节行波周期和流经行波壁表面的水流流速进行配比。实验发现：当C/U＝0.309时，在行波壁的波谷处形成了稳定的涡，在理论上这可以将阻力减为零。因为可以用磁流变阀按要求任意控制橡胶软管内的压力，产生需要的动作，在控制上要比纯机械方式方便和灵活得多，橡胶软管还可以布置在任意外形的物体表面上，克服了纯机械方法只能做成平面形状的缺点，可以实用于具体飞行器上。消耗的能量的和设备所占体积也要小很多。

实施例2：采用旋转圆盘方式控制磁流变阀磁场的行波壁面减阻器

图5给出了本实施例采用机械的方式控制磁流变阀12的磁场示意图：在底板23上安装可绕其轴线旋转的铝合金圆盘20，其边缘用紧定螺钉固定钕铁硼永磁体21，在底板23靠近圆盘20边缘的地方固定磁流变阀12，把普通桑塔纳轿车的雨刷电动机22的轴和圆盘轴相连，带动圆盘20旋转，永磁体21在旋转过程中周期性地靠近和离开阀门，改变阀门间的磁场强度。可通过改变电机的转速来控制磁流变阀12的磁场变化周期。这样通过控制旋转圆盘20来控制磁流变阀磁场，不使用单片机也可以控制行波壁面减阻器系统，其它控制方式不变。

实施例3：采用电流变阀和电流变液的行波壁面减阻器

本实施例采用电流变阀和电流变液来取代上述系统中磁流变阀和磁流变液。图3给出了电流变阀的结构示意图：使用聚四氟乙烯制成电流变液通道1，其中间段做成圆柱形腔体，两块电极2和3，内设置有用铜板制成的一对电极板2、3相距间隙4为0.5-2毫米；将电极板2、3引出分别与直流电源的正、负极相连接；电流变液经通道1流过电极板2、3之间的间隙4；电流变液可以用以下介绍的方法自制：将纳米尺寸量级的二氧化钛粉末按30％的体积百分比均匀分布在硅油中，或者将纳米尺寸量级的钛酸钡颗粒按30％的体积百分比均匀分布在硅油中等。电极2和3之间的电压高低可以无级调节，通过控制电极2、3间电压的高低可改变从正负极板2、3间隙4中流过的电流变液在通道两侧的流体压力差；控制电极2、3间电压的高低，即可改变从正负极板2、3间隙中流过的电流变液5在通道两侧的流体压力差，从而成为电流变阀。具体控制时，用单片机控制系统18的输出信号控制可控直流电源19，电源19输出高压(2000V左右)到控制电极2和3上，改变电压高低，可以改变阀门两侧流体压力降。其它控制方式不变。