合成射流/合成双射流机理及其在射流矢量控制和微泵中的应用研究
流动控制是航空航天研究的热点，也是流体力学研究的前沿。先进的主动流动控制技术在航空、航天、航海及工业领域具有显著提高性能的潜力，极可能成为21世纪航空航天等领域重大突破性技术。美国NASA三大研究计划，即突破飞行器技术计划（BVT）、超高效发动机技术计划（UEET）和21世纪飞机技术计划（TCAT），都重点强调了主动流动控制技术，并把它作为三大研究计划重要研究内容之一。近年来，一种“零质量”合成射流技术由于其优越的工作特性及其在流动控制领域广阔的应用前景而备受关注，并得到了长足发展，极可能使主动流动控制技术取得重大突破。合成射流激励器作为合成射流技术发展的核心，目前还缺乏全面系统的基础研究，高性能和多功能的新型合成射流激励器则是合成射流技术实现高效流动控制并开辟新应用方向的关键。
在目前国际上已对常规合成射流激励器开展了广泛研究的前提下，我国要在合成射流及其应用领域占有一席之地并走在国际前列，最主要的途径就是夯实基础积极开展自主创新研究，开发新型合成射流激励器，实现现有常规合成射流激励器不能实现和完成的任务，进而开辟合成射流应用新方向。基于此目的，本书以常规合成射流激励器及其应用的全面系统研究为基础，积极开展新型合成射流激励器及新应用的研究。主要研究内容和结论如下：
（1）对压电式合成射流激励器开展了全面系统研究。①通过集中参数模型分析，获得了激励器及压电振子在不同边界条件下的集中参数，建立了类比等效线路和传递函数，分析了合成射流激励器频率特性和合成射流延迟相位角频响特性。压电振子边界条件不但对合成射流的频率特性有影响，而且直接控制压电振子振幅大小，从而极大程度决定了合成射流激励器的能量利用效率。合成射流延迟相位角频响特性显示：当驱动频率相对激励器腔体一孔缝系统的谐振频率较小时，激励器出口合成射流速度与压电振子振速同相；当超过系统谐振频率时，出口处合成射流速度相对于压电振子振速的延迟相位角很快接近180。。②通过压电振子工作特性研究，获得了压电振子阻抗频率特性、振动位移时间特性、响应时间特性及压电振子延迟相位角。基于压电振子工作特性建立了合成射流激励器全流场计算模型。③采用热线风速仪对激励器出口合成射流速度进行了测量，结果表明：边界条件对合成射流影响很大，压电振子在夹支状态下的合成射流速度比简支状态下几乎下降了一个数量级。④通过PⅣ实验对合成射流流场进行了流动显示测量，实验时采用移相分频技术实现任意频率任意相位点的测量，处理数据时采用相位补偿技术对实验结果进行相位定位。合成射流一个周期的演变过程可根据激励器出口下游旋涡对、合成射流流向速度及鞍点位置的变化规律分四个阶段。⑤对合成射流流场进行了数值模拟并与实验结果进行了对比，验证了激励器全流场计算模型的有效性。
（2）对相邻激励器合成射流的相互作用进行了PTV实验和机理研究。控制相邻激励器相位差或驱动电压幅值比，可以实现相邻激励器合成射流方向偏转。提出了相邻激励器合成射流旋涡对引导冲击致偏机制，对相邻激励器合成射流方向偏转现象进行了解释。相邻激励器不同相工作时合成射流向相位超前一侧倾斜，相邻激励器不同驱动电压幅值工作时合成射流向驱动电压幅值大的激励器一侧偏斜，其工作机理符合相邻激励器旋涡致偏机制；对于相邻激励器同相同幅值工作，则符合旋涡增强机制，合成射流增强而不偏斜。另外，相邻合成射流激励器工作时能产生两列旋涡对，这为旋涡对之间相互作用机理研究提供了一种研究手段和一套结构简单、易于参数控制的实验验证工具；相邻激励器合成射流作用机理则可为旋涡对作用机理提供借鉴。
（3）发明了一种新型合成射流激励器——合成双射流激励器。合成双射流激励器的新颖之处在于两个腔体共享一个振动膜且滑块对激励器两出口射流具有调节功能。两腔体共享一个振动膜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失效问题，且充分利用了振动膜双向振动能量，提高了能量效率，两腔体共用一个振动膜的对称结构使合成双射流激励器易于集成化，且振动膜振动引起的激励器两腔体总体积变化量始终为零，合成双射流激励器是一种真正意义上的“零质量”射流激励器。利用滑块控制两出口面积比，可以有效控制合成双射流的动量比，使合成双射流本身具有独特的矢量功能。合成双射流激励器工作时，在其出口下游近区，合成双射流之间会发生“自给”现象，根据“自给”准则并采用挡板可有效控制“自给”现象；在下游较远区域，合成双射流相互融合，与常规合成射流相比，其流动速度明显提高，非定常特征明显减弱，流动特征频率是驱动频率的两倍。合成双射流激励器优越的性能和独有的功能，使其具有提高控制效率并拓展合成射流应用领域的潜力。
（4）对合成射流激励器应用于主流矢量控制进行了系统深入研究。提出了开展合成射流激励器主流矢量控制研究的“搭桥”策略。设计了进行主流矢量控制的合成射流激励器斜台出口模式。对激励器不同出口模式下进行主流矢量控制进行了数值研究，结果显示，相同主流和激励器工作条件下，斜台出口模式激励器致偏主流效果最佳。分析并归纳了合成射流激励器主流矢量控制的物理过程和控制机理，合成射流控制主流矢量的发展过程可按主流经过的三个区域相应分为三个不同阶段，合成射流激励器工作引起的压强梯度、激励器工作于“吸”程对主流的卷吸作用和工作于“吹”程合成射流动量冲量对主流的引射作用（有可能出现阻挡作用），以及合成射流在向下游迁移过程中与主流自由剪切层之间相互耦合作用是合成射流激励器进行主流矢量控制的主要机制。分析了合成射流激励器主流矢量控制的物理因素，低压区范围及其压强梯度、合成射流动量分量、合成射流对主流的卷引率是直接控制主流矢量力和矢量角的物理因素。分析确定了物理因素对应的源变量，建立了由控制能力函数和调节功能函数组成的合成射流激励器主流矢量控制初步模型，该模型能够对源变量引起的主流矢量控制效率不同作出解释，并且进一步指出了进行主流矢量控制的最佳激励器应充分利用调节功能函数。
（5）基于合成双射流激励器独特的矢量功能，开展了合成双射流激励器主流矢量控制研究，与单个合成射流激励器只能对主流实现单一的“推”或“拉”的矢量控制功能相比，采用一个合成双射流激励器就可以实现对主流“推”和“拉”的双重矢量控制功能，且控制效率高，为射流矢量控制提供了一种新模式。采用合成双射流激励器进行主流矢量控制，其“推”功能比“拉”功能更高效。鉴于合成双射流激励器具有独特的主流矢量控制“双”功能，可以实现现有常规合成射流激励器不能实现的功能，有望使合成射流技术在射流矢量控制领域取得重要进展，除了进行推力矢量控制外，还可望用于射流矢量控制的其他应用领域，如混合增强、热信号减弱等领域，同时也将进一步拓展合成射流技术在其他流动控制领域的应用。
（6）基于合成射流流场独特的分区特征和可控特征，设计了一种带过滤网和分流隔板的合成射流基无阀微泵，该微泵能够解决微泵流体泄漏和微泵喷嘴堵塞两大问题，同时具有泵流流量可调节功能。分析得到了该微泵的设计准则和调节该微泵的控制律，该微泵在设计准则状态下工作效率最高，改变激励条件并按控制律调节分流隔板可有效调节微泵流量，且微泵保持在设计状态下工作。设计准则可以有效地指导微泵的设计，控制律则为合成射流基微泵的智能化控制奠定了基础。
（7）提出了往复式微泵实现连续流稳定传输的一种设计思想，即利用两股泵流流量、波动幅值及波动频率相同、相位恰好相反的泵流来合成一股流量连续稳定的泵流。发明了合成双射流激励器连续流微泵，该微泵由合成双射流激励器、可调节分流隔板和导流挡板组成。对导流挡板不同高度下合成双射流激励器连续流微泵进行了数值模拟，结果显示：合成双射流激励器连续流微泵实现了连续稳定的泵流输运，其波动率均小于1％，导流挡板对合成双射流激励器连续流微泵性能影响很大，合成双射流“自给”准则和合成射流鞍点位置特征可有效指导挡板高度的设计。合成双射流激励器连续流微泵为往复式微泵实现连续流传输提供了一个新方向。
在目前国际上已对常规合成射流激励器开展了广泛研究的前提下，我国要在合成射流及其应用领域占有一席之地并走在国际前列，最主要的途径就是夯实基础积极开展自主创新研究，开发新型合成射流激励器，实现现有常规合成射流激励器不能实现和完成的任务，进而开辟合成射流应用新方向。基于此目的，本书以常规合成射流激励器及其应用的全面系统研究为基础，积极开展新型合成射流激励器及新应用的研究。主要研究内容和结论如下：
（1）对压电式合成射流激励器开展了全面系统研究。①通过集中参数模型分析，获得了激励器及压电振子在不同边界条件下的集中参数，建立了类比等效线路和传递函数，分析了合成射流激励器频率特性和合成射流延迟相位角频响特性。压电振子边界条件不但对合成射流的频率特性有影响，而且直接控制压电振子振幅大小，从而极大程度决定了合成射流激励器的能量利用效率。合成射流延迟相位角频响特性显示：当驱动频率相对激励器腔体一孔缝系统的谐振频率较小时，激励器出口合成射流速度与压电振子振速同相；当超过系统谐振频率时，出口处合成射流速度相对于压电振子振速的延迟相位角很快接近180。。②通过压电振子工作特性研究，获得了压电振子阻抗频率特性、振动位移时间特性、响应时间特性及压电振子延迟相位角。基于压电振子工作特性建立了合成射流激励器全流场计算模型。③采用热线风速仪对激励器出口合成射流速度进行了测量，结果表明：边界条件对合成射流影响很大，压电振子在夹支状态下的合成射流速度比简支状态下几乎下降了一个数量级。④通过PⅣ实验对合成射流流场进行了流动显示测量，实验时采用移相分频技术实现任意频率任意相位点的测量，处理数据时采用相位补偿技术对实验结果进行相位定位。合成射流一个周期的演变过程可根据激励器出口下游旋涡对、合成射流流向速度及鞍点位置的变化规律分四个阶段。⑤对合成射流流场进行了数值模拟并与实验结果进行了对比，验证了激励器全流场计算模型的有效性。
（2）对相邻激励器合成射流的相互作用进行了PTV实验和机理研究。控制相邻激励器相位差或驱动电压幅值比，可以实现相邻激励器合成射流方向偏转。提出了相邻激励器合成射流旋涡对引导冲击致偏机制，对相邻激励器合成射流方向偏转现象进行了解释。相邻激励器不同相工作时合成射流向相位超前一侧倾斜，相邻激励器不同驱动电压幅值工作时合成射流向驱动电压幅值大的激励器一侧偏斜，其工作机理符合相邻激励器旋涡致偏机制；对于相邻激励器同相同幅值工作，则符合旋涡增强机制，合成射流增强而不偏斜。另外，相邻合成射流激励器工作时能产生两列旋涡对，这为旋涡对之间相互作用机理研究提供了一种研究手段和一套结构简单、易于参数控制的实验验证工具；相邻激励器合成射流作用机理则可为旋涡对作用机理提供借鉴。
（3）发明了一种新型合成射流激励器——合成双射流激励器。合成双射流激励器的新颖之处在于两个腔体共享一个振动膜且滑块对激励器两出口射流具有调节功能。两腔体共享一个振动膜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失效问题，且充分利用了振动膜双向振动能量，提高了能量效率，两腔体共用一个振动膜的对称结构使合成双射流激励器易于集成化，且振动膜振动引起的激励器两腔体总体积变化量始终为零，合成双射流激励器是一种真正意义上的“零质量”射流激励器。利用滑块控制两出口面积比，可以有效控制合成双射流的动量比，使合成双射流本身具有独特的矢量功能。合成双射流激励器工作时，在其出口下游近区，合成双射流之间会发生“自给”现象，根据“自给”准则并采用挡板可有效控制“自给”现象；在下游较远区域，合成双射流相互融合，与常规合成射流相比，其流动速度明显提高，非定常特征明显减弱，流动特征频率是驱动频率的两倍。合成双射流激励器优越的性能和独有的功能，使其具有提高控制效率并拓展合成射流应用领域的潜力。
（4）对合成射流激励器应用于主流矢量控制进行了系统深入研究。提出了开展合成射流激励器主流矢量控制研究的“搭桥”策略。设计了进行主流矢量控制的合成射流激励器斜台出口模式。对激励器不同出口模式下进行主流矢量控制进行了数值研究，结果显示，相同主流和激励器工作条件下，斜台出口模式激励器致偏主流效果最佳。分析并归纳了合成射流激励器主流矢量控制的物理过程和控制机理，合成射流控制主流矢量的发展过程可按主流经过的三个区域相应分为三个不同阶段，合成射流激励器工作引起的压强梯度、激励器工作于“吸”程对主流的卷吸作用和工作于“吹”程合成射流动量冲量对主流的引射作用（有可能出现阻挡作用），以及合成射流在向下游迁移过程中与主流自由剪切层之间相互耦合作用是合成射流激励器进行主流矢量控制的主要机制。分析了合成射流激励器主流矢量控制的物理因素，低压区范围及其压强梯度、合成射流动量分量、合成射流对主流的卷引率是直接控制主流矢量力和矢量角的物理因素。分析确定了物理因素对应的源变量，建立了由控制能力函数和调节功能函数组成的合成射流激励器主流矢量控制初步模型，该模型能够对源变量引起的主流矢量控制效率不同作出解释，并且进一步指出了进行主流矢量控制的最佳激励器应充分利用调节功能函数。
（5）基于合成双射流激励器独特的矢量功能，开展了合成双射流激励器主流矢量控制研究，与单个合成射流激励器只能对主流实现单一的“推”或“拉”的矢量控制功能相比，采用一个合成双射流激励器就可以实现对主流“推”和“拉”的双重矢量控制功能，且控制效率高，为射流矢量控制提供了一种新模式。采用合成双射流激励器进行主流矢量控制，其“推”功能比“拉”功能更高效。鉴于合成双射流激励器具有独特的主流矢量控制“双”功能，可以实现现有常规合成射流激励器不能实现的功能，有望使合成射流技术在射流矢量控制领域取得重要进展，除了进行推力矢量控制外，还可望用于射流矢量控制的其他应用领域，如混合增强、热信号减弱等领域，同时也将进一步拓展合成射流技术在其他流动控制领域的应用。
（6）基于合成射流流场独特的分区特征和可控特征，设计了一种带过滤网和分流隔板的合成射流基无阀微泵，该微泵能够解决微泵流体泄漏和微泵喷嘴堵塞两大问题，同时具有泵流流量可调节功能。分析得到了该微泵的设计准则和调节该微泵的控制律，该微泵在设计准则状态下工作效率最高，改变激励条件并按控制律调节分流隔板可有效调节微泵流量，且微泵保持在设计状态下工作。设计准则可以有效地指导微泵的设计，控制律则为合成射流基微泵的智能化控制奠定了基础。
（7）提出了往复式微泵实现连续流稳定传输的一种设计思想，即利用两股泵流流量、波动幅值及波动频率相同、相位恰好相反的泵流来合成一股流量连续稳定的泵流。发明了合成双射流激励器连续流微泵，该微泵由合成双射流激励器、可调节分流隔板和导流挡板组成。对导流挡板不同高度下合成双射流激励器连续流微泵进行了数值模拟，结果显示：合成双射流激励器连续流微泵实现了连续稳定的泵流输运，其波动率均小于1％，导流挡板对合成双射流激励器连续流微泵性能影响很大，合成双射流“自给”准则和合成射流鞍点位置特征可有效指导挡板高度的设计。合成双射流激励器连续流微泵为往复式微泵实现连续流传输提供了一个新方向。
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