单膜双腔双口合成射流激励器

摘要

本发明公开了一种单膜双腔双口合成射流激励器，它包括一振动膜、第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体为各自独立腔体，第一腔体和第二腔体之间通过振动膜隔开；第一腔体和第二腔体上分别开设有第一出口和第二出口。本发明是一种结构简单，能够有效解决受控流场和环境流场间压差引起的激励器振动膜压载问题，并能够充分利用振动膜振动辐射能量的单膜双腔双口合成射流激励器。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到流体传输与控制技术领域，特指一种合成零质量射流的单膜双腔双口合成射流激励器。

背景技术

合成射流是利用合成射流激励器腔体内振动膜片振动(如压电、铁电、电磁及静电、或活塞驱动)，在激励器出口孔缝处产生连续不断向外扩展的一系列非定常涡环(或涡对)，它对主流的作用类似于一股射流。合成射流技术的显著特点是不需要在流场内引入额外的质量，而是利用被控流场内自身的流体“合成”的射流，因此又被称为“零质量射流”和“自耦合射流”。在流体传输和流动控制领域，如微泵、流动分离控制、气动力控制、射流矢量控制、混合增强控制等方面，合成射流已显示出常规射流所不具有的无需流体供应及传输系统的优势，因此具有潜在和极为广阔的应用前景。

合成射流激励器作为合成射流技术的作动部件，是合成射流技术发展的核心。目前，已有的合成射流激励器有两种构型，一种是单膜驱动激励器，如图1所示，该单膜驱动激励器包括一个振动膜1、一个腔体2和一个出口3，图中水平线11以上为受控流场4，水平线11以下为环境流场5。振动膜1在驱动力的驱动下来回振动，压缩和膨胀腔体2内的流体，当腔体2处于膨胀过程中时，受控流场4中的流体从激励器出口3周围被吸入激励器腔体2内；当腔体2处于压缩过程中时，腔体2内的部分流体又会经由出口3排出腔体2，在这种吸入/排出交替进行过程中，在出口3附近流体受到强烈的剪切作用，因而在出口3边缘处产生流动分离(流动方向由进入腔体2转为流向受控流场4)，进而随排出流体向上卷起形成旋涡对(或涡环)，旋涡一经形成，就会以自诱导速度向下游迁移，在振动膜1的周期性振动过程中，在激励器出口3处产生连续不断向外扩展的一系列非定常涡环(或涡对)，从而在出口3下游合成射流6。另一种是双膜驱动激励器，如图2所示，双膜驱动激励器包括第一振动膜7、第二振动膜8、一个腔体9以及一个出口10，其工作过程与单膜驱动激励器相同，但是双膜驱动激励器工作时，需要两个电源，同时还要准确控制好相位差。

现有技术中这两种合成射流激励器存在的不足就在于：1、单膜驱动激励器中的振动膜1的两个侧面分别处于受控流场4和环境流场5中，而双膜驱动激励器的第一振动膜7和第二振动膜8的两个侧面也分别处于受控流场4和环境外流场5中，因此当受控流场4和环境外流场5之间存在较大压差时，将使振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8承受较大压载，这股压载将极大地限制振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8的振动，使振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8无法起振，使合成射流激励器无法正常工作，过大的压载甚至会压穿振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8，对合成射流激励器造成毁灭性破坏；2、单膜驱动激励器和双膜驱动激励器中振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8的一侧处于环境外流场5中，因此振动膜1、第一振动膜7和第二振动膜8振动的辐射能量有一半耗散浪费在环境外流5中而没有得到利用，从而降低了射流激励器的整体工作效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有合成射流激励器存在的技术问题，本发明提供一种结构简单新颖，能够有效解决受控流场和环境流场间压差引起的激励器振动膜压载问题，并能够充分利用振动膜振动辐射能量的单膜双腔双口合成射流激励器。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种单膜双腔双口合成射流激励器，它包括一振动膜、第一腔体和第二腔体，其特征在于：所述第一腔体和第二腔体为各自独立腔体，第一腔体和第二腔体之间通过振动膜隔开；第一腔体和第二腔体上分别开设有第一出口和第二出口。

所述第一腔体和第二腔体的第一出口和第二出口之间设有可以滑动调节的调流滑块。

所述调流滑块的形状为凸台形、梯形体、棱形体、矩形体或其他不规则形状。

所述第一腔体和第二腔体上第一出口和第二出口的形状为圆孔或窄缝。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的单膜双腔双口合成射流激励器采用两个腔体共享一个振动膜的结构，这样的话，振动膜的两个侧面都处于同一受控流场，从而有效避免了受控流场和环境流场间压差引起的振动膜压载问题，且充分利用了振动膜振动的辐射能量，将振动膜振动时所产生的辐射能量完全利用于受控流场内；

2、本发明的单膜双腔双口合成射流激励器在两个腔体的出口之间安装一个用于调流作用的调流滑块来控制两个出口的面积比，从而可以有效控制两出口射流的速度比和动量比，实现合成射流的矢量偏转，这样的话，使得该合成射流激励器合成射流本身具有可调节功能，这为合成射流激励器进行智能化和最优化流动控制奠定了基础和创造了条件；

3、本发明的单膜双腔双口合成射流激励器可以利用不同构型的调流滑块来控制合成射流的流动特征；如凸台构型调流滑块，则可以利用凸台的阻挡作用减小两相邻射流间相互卷吸和抵消并促使其卷吸周围更多的流体，并且可以利用射流的附壁效应通过凸台引导两相邻射流的并对和融合，使得合成射流更宽、能量水平更高；

4、本发明的单膜双腔双口合成射流激励器具有结构简单、体积小、成本低、容易和其它微控制元件集成的特点，适应于大批量生产，且适合于以单个单膜双腔双口合成射流激励器为单元制造为阵列结构，这样可以集成阵列合成射流，极大提高合成射流的总能量，实现对大面积流场的控制。

附图说明

图1是现有技术中单膜合成射流激励器的工作原理示意图；

图2是现有技术中双膜合成射流激励器的工作原理示意图；

图3是本发明单膜双腔双口合成射流激励器实施例1的结构示意图；

图4是图3中的断面结构示意图；

图5是本发明实施例1的结构原理示意图：

图6是本发明实施例2的结构原理示意图；

图7是本发明实施例3的结构原理示意图；

图8是本发明实施例4的结构原理示意图：

图9是本发明实施例1使用时合成射流速度矢量图；

图10是本发明实施例2使用时合成射流速度矢量图；

图11是本发明实施例3使用时合成射流速度矢量图；

图12是本发明实施例4使用时合成射流速度矢量图。

图例说明

1、振动膜            2、腔体

3、出口              4、受控流场

5、环境流场          6、合成射流

7、第一振动膜        8、第二振动膜

9、腔体              10、出口

11、水平线           12、振动膜

13、第一腔体            14、第二腔体

15、第一出口            16、第二出口

17、合成射流            18、调流滑块

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：如图3和图4所示，本发明的单膜双腔双口合成射流激励器，它包括一振动膜12、第一腔体13和第二腔体14，该第一腔体13和第二腔体14之间通过振动膜12分隔开来形成各自独立的腔体，第一腔体13和第二腔体14上分别开设有第一出口15和第二出口16。其中，振动膜12的振动驱动可以是压电、铁电、电磁、静电、活塞等驱动方式之任意一种，振动膜12的材料可采用弹性材料、柔性材料或复合材料，振动膜12的形状可以按要求设计为任意形状，如可以是圆形或矩形等；第一腔体13和第二腔体14可以按要求及振动膜12的形状设计为任意形状，如可以是圆柱体和矩形体等，如图3所示在本实施例中为矩形体；腔体材料为非柔性的硬质材料，适合于采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造；第一腔体13和第二腔体14分别与振动膜12的一个侧面密封连接，第一腔体13和第二腔体14上的第一出口15和第二出口16的形状可以是任意形状，通常采用圆孔或窄缝(如图3所示)。

工作原理：参见图5，图中水平线11以上为受控流场4，水平线11以下为环境流场5。振动膜12在驱动下来回振动，压缩和膨胀第一腔体13和第二腔体14的流体，当振动膜12处于向右侧振动过程时，第一腔体13处于膨胀过程，受控流场4中的流体从激励器第一出口15周围被吸入激励器第一腔体13，而同时第二腔体14处于压缩过程，第二腔体14内的部分流体经由第二出口16被挤压排出；当振动膜12处于向左侧振动过程时，第一腔体13处于压缩过程，第一腔体13内的部分流体经由第一出口15被挤压排出，而同时第二腔体14处膨胀过程，受控流场4中的流体从激励器第二出口16周围被吸入激励器第二腔体14内，在这种吸入/排出交替进行过程中，在第一出口15和第二出口16分别有一股非定常流形成，这两股射流相位差为180°，在向下游迁移过程中相互作用并融合成一股能量更高的合成射流17。由于振动膜12的两个侧面分别处于激励器第一腔体13和第二腔体14，第一腔体13和第二腔体14则分别通过第一出口15和第二出口16与同一受控流场4相通，即振动膜12的两个侧面的工作环境相同，因此单膜双腔双口合成射流激励器可以有效避免受控流场4和环境流场5间压差引起的振动膜12压载问题，且振动膜12向两个方向振动的辐射能量分别被激励器第一腔体13和第二腔体14充分利用。在实施例1中，振动膜12采用压电驱动，工作频率500Hz，第一出口15和第二出口16为宽1mm的窄缝。如图9所示，实施例1的激励器合成射流17的速度矢量图，振动膜12工作时，在激励器第一出口15和第二出口16分别有一股非定常射流，相位差为180°，两股射流在出口下游相互作用并融合成一股能量更高的合成射流17。

实施例2：如图6所示，本实施例是在实施例1的基础上在第一出口15和第二出口16之间增加一个调流滑块18。调流滑块18可以采用不同的构型，如凸台形、梯形体、棱形体、矩形体或其他不规则形体，该调流滑块18的材料为非柔性的硬质材料，适合于采用微细加工和微机械技术相兼容的材料和工艺制造，调流滑块18位于激励器的第一出口15和第二出口16之间，并可以在控制下沿着水平方向左右滑动。

工作原理：当调流滑块18滑向左侧的第一出口15时，参见图6，第一出口15的出口面积减小，相应地第二出口16面积增大，在流量不变的条件下，第一出口15处产生射流的速度和动量水平增大，而在出口16处产生射流速度和动量水平减小，这两股动量不同的射流相互作用融合后将向低能量一侧偏转，即偏向右侧；如果调流滑块18滑向右侧第二出口16，则合成射流17将偏向左侧。因此，通过调流滑块18控制第一出口15和第二出口16的面积比，可以有效控制两出口合成射流17的速度比和动量比，实现合成射流17的矢量偏转，使得本发明的单膜双腔双口合成射流激励器本身具有矢量可调节功能，这为合成射流激励器进行智能化和最优化流动控制奠定了基础和创造了条件。在实施例2中，调流滑块18在水平方向向左侧滑移0.3mm，因此第一出口15和第二出口16的面积比由原来的1∶1变为0.7∶1.3，其它参数与实施例1相同。如图10所示，单膜双腔双口合成射流激励器在调流滑块18滑向左侧后合成射流17的速度矢量图，第一出口15处射流速度和动量水平增大，而第二出口16处的射流速度和动量水平减小，这两股射流融合后的合成射流17偏向右侧。

实施例3：如图7所示，本实施例的结构基本与实施例2相同，区别就在于调流滑块18的构型不同，其结构和工作原理示意如图7所示。调流滑块18可以采用不同的构型，以凸台构型为例(如图7)，其工作原理是：利用凸台的阻挡作用减小出口15和16两相邻射流的相互卷吸抵消作用并促使其卷吸周围更多的流体，并利用射流的附壁效应通过凸台引导两相邻射流的并对融合，使合成射流17变得更宽，能量更高。实施例3中激励器的工作参数与实施例1相同。图11为单膜双腔双口合成射流激励器采用凸台构型调流滑块后合成射流17速度矢量图。与图9、图10相比，图11中合成射流变得更宽，能量更高。因此，单膜双腔双口合成射流激励器可以利用不同构型的调流滑块，来控制合成射流的流动特征，如利用凸台构型调流滑块，使合成射流变得更宽，能量更高。

实施例4：如图8所示，本实施例的结构是以单个单膜双腔双口合成射流激励器为单元集成而成的阵列结构，其结构和工作原理示意如图8所示。激励器阵列采用一个电源驱动，其功率要按激励器单元的数量加倍，同时可以根据要求增加一个反相器来控制不同振动膜12，实现阵列合成射流的不同特征。激励器阵列工作时，在每个激励器单元下游都有合成射流17，这种阵列激励器的总能量较单个激励器大幅度提高，可以对大面积流场实施控制。在实施例4中，采用四个激励器集成为一个阵列，增加一个反相器，振动膜12从左至右的初相位依次为0°、180°、0°、180°，单个激励器的其它参数与实施例1相同。图12为单膜双腔双口合成射流激励器集成为阵列结构的合成射流17的速度矢量图。相邻合成射流17发生相互作用，显示出不同的流场特征。

本发明并不局限于以上四个实施例，除此之外，第一出口15和第二出口16的间距可以设计为较大距离，这样在第一出口15和第二出口16下游的两股射流由于间距较大而不发生相互作用，从而成为两股独立的合成射流；还可以根据需要采用其他构型的调流滑块18，或集成为阵列结构的单膜双腔双口激励器也可以增加调流滑块18来实施控制等等。总而言之，本发明不但结构简单，而且还能够有效解决受控流场和环境流场间压差引起的激励器振动膜压载问题，并且能够充分利用振动膜振动的辐射能量。