基于流体振荡器阵列的S型流道主动控制实验研究

本文针对一个典型的大折转角、大尺度S弯流道,设计并制造了一个由16个流体振荡器组成的大型阵列,并对S弯内部流动进行了主动控制实验研究。首先采用高频响热线风速仪、高精度质量流量计等手段测量了流体振荡器的频率、速度、流量等随进口压力的响应变化规律及其在大型阵列中的工作特性一致性。其次采用壁面压力采集、五孔探针等手段测量了不同激励条件下,S弯流道的壁面压力分布以及出口截面的总压分布情况。结果表明,所设计的脉冲型流体振荡器能够产生1 kHz以上,峰值速度高于300 m/s的高频高速振荡射流,且阵列中多个振荡器的流量、频率、振荡速度范围等工作特性保持了较好的一致性。流体振荡器阵列在S弯流道上壁面一弯前缘形成了一排开孔率仅为10%的脉冲射流孔,在与主流成45°射流角度、进口马赫数Ma=0.15,激励速度比uR=4.31条件下,仅使用激励质量流量比Cm=0.39%的激励质量流量,就使S弯流道的出口平均总压损失改善了10.6%。本研究验证了流体振荡器阵列控制大尺寸分离流动的高效能力。

On Switching of a Flip-Flop Jet Nozzle with Double Ports by Single-Port Control

This research deals with the oscillation mechanism of a flip-flop jet nozzle with a connecting tube, based on the measurements of pressures and velocities in the connecting tube and inside the nozzle. The measurements are carried out varying: 1) the inside diameter d of the connecting tube;2) the length L of the connecting tube and 3) the jet velocity VPN from a primary-nozzle exit. We assume that the jet switches when a time integral reaches a certain value. At first, as the time integral, we introduce the accumulated flow work of pressure, namely, the time integral of mass flux through a connecting tube into the jet-reattaching wall from the opposite jet-un-reattaching wall. Under the assumption, the trace of pressure difference between both the ends of the connecting tube is simply modeled on the basis of measurements, and the flow velocity in the connecting tube is computed as incompressible flow. Second, in order to discuss the physics of the accumulated flow work further, we conduct another experiment in single-port control where the inflow from the control port on the jet-reattaching wall is forcibly controlled and the other control port on the opposite jet-un-reattaching wall is sealed, instead of the experiment in regular jet’s oscillation using the ordinary nozzle with two control ports in connection. As a result, it is found that the accumulated flow work is adequate to determine the dominant jet- oscillation frequency. In the experiment in single-port control, the accumulated flow work of the inflow until the jet’s switching well agrees with that in regular jet’s oscillation using the ordinary nozzle.

振荡射流控制方法在无舵面飞行控制中的应用

利用射流主动流动控制方法,飞行器无舵面飞行控制技术取消了传统的机械舵面,具有附加重量小、控制性能优异等优点,适合隐形设计。本文针对现有定常射流控制方法控制效率较低、耗气量大等问题,介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用,概述了2项无舵面飞行控制技术——环量控制技术和流体推力矢量技术——的研究现状,讨论了振荡射流在扩大控制区域、增强掺混和频率调节方面的机理和优势。从环量控制和流体推力矢量2个角度出发,详细介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用机理和优异表现。

引气位置对旁路式二元激波矢量喷管性能影响

流体推力矢量技术可为超声速无尾布局提供良好的隐身性能与纵向操纵力矩,具有响应快、质量小等优势。旁路式激波矢量喷管无须从发动机引气,克服了为增加矢量角而增加发动机引气流量的问题,可降低发动机的负担。开展了引气位置对旁路式二元激波矢量喷管矢量性能影响研究,为加深对此种喷管性能理解以及将其实用化打下基础。结果表明:喉道引气喷管兼具激波矢量和喉道偏斜法的特征,入口引气喷管在过膨胀状态下性能更好,喉道引气喷管在欠膨胀状态下更有优势。射流后的分离模式显著影响喷管矢量性能,闭式分离使喷管矢量性能下降明显,喉道引气喷管矢量性能突变对应的落压比小于入口引气喷管。实际应用中,应避免分离模式由开式分离转为闭式分离,根据不同膨胀状态搭配不同的旁路式引气方式能够最大化旁路式二元激波矢量喷管性能。

基于双级二次流射流的流体推力矢量偏转控制

为了在单级射流流体推力矢量控制基础上获得更大的流体矢量偏转角,提出一种基于双级二次流射流的流体式推力矢量喷管,利用双级二次流造成的压强差使主流在第一次偏转的基础上再次发生偏转。采用CFD仿真确定模型二次流管道开口大小及入射角度,通过仿真、烟流显示及测压实验分析单级二次流射流、双级二次流射流控制状态下主流矢量偏转对应的流动控制机制,并通过后期处理得到流动控制规律。结果表明:通过双级二次流作用可以使主流产生两次偏转,从而显著增大主流矢量偏转角度;当两级二次流控制缝输出流量与主流体积流量比均为0.021时,可以获得12.5°的最大向上主流矢量偏转角。

振荡射流气动矢量喷管参数影响特性的试验研究

基于康达效应的同向流矢量技术控制效率高、推力损失低,具备提高飞行器隐身性能的巨大潜力。为了探究马赫数Ma 0.35主流下二次流类型、二次流阵列个数、康达壁面半径R和终止角θ等参数对同向流矢量控制的影响,利用天平研究了9种不同的喷管模型的力学特性,获得矢量偏转力随次主质量流量比变化的控制规律。结果表明,主喷管高和康达壁面半径的比值H/R是对矢量偏转效率和控制稳定性最重要的因素,H/R越低,控制效率越高,控制曲线线性度越高;使用三个振荡射流阵列作为二次流的条件下,H/R从0.5减小到0.43,控制效率提高近49%,与使用定常射流相比,使用振荡射流作为二次流,显著提高了控制效率,增强了控制稳定性;对比分析显示,使用两个或三个振荡二次流阵列、H/R为0.43且θ为90°时,矢量控制效果最好。进一步地研究表明,H/R和θ对矢量控制效率的影响最大,而θ对控制曲线线性度几乎没有影响,本文研究还发现二次流阵列个数低于两个或H/R高于0.6时,控制特性急剧恶化。本文研究可为同向流矢量喷管的工程设计提供理论支撑。

基于MEMS的微型泵技术研究

基于硅微结构的微流体控制系统——微型泵,是微机电系统(MEMS)中的一个重要分支,可广泛用于生物,医学、化工、电子、航空等领域。综述了国内外微流体控制系统中微泵技术的研究现状,介绍了几种常用微型泵的工作结构原理,并讨论现有技术中存在的一些问题,以及提出了尝试解决的办法。

流体式高超声速可调进气道流动机理及工作特性分析

针对基于二次流控制的定几何高超声速可调进气道设计概念,给出了其具体的流道实现方案,而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在马赫数4～6范围内的可实现性,获得了其工作特性,并对弯曲激波后的总压损失特性、二次流的能量获取及消耗机制等流动机理进行了专门分析。结果表明:该流体式可调进气道能够依靠自身高压驱动二次流来实现对口部波系的调节,使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高24%以上,总压恢复提高7%左右,且最大二次流消耗量只占了进气道捕获流量的1.6%左右。另外,虽然弯曲激波的波后总压和马赫数分布表现出了一定的不均匀性,但是其平均总压恢复系数与相同倾角平面激波相比下降不大。二次流循环流动所消耗的机械能由外部外流剪切力做功补充,而二次流注入会使当地边界层的速度型变得瘦弱,形状因子增大。

显微注射中细胞位姿调节技术及实验研究

显微注射中,细胞位置和姿态对实验效果具有重要影响,但现有人工调节技术存在精度差和效率低等不足。基于机械运动和流场流动的耦合控制,提出了自动化的细胞位姿调节技术。以吸持针为末端执行器,研制了细胞位姿调节系统。以细胞培养液为控制介质,分析了微尺度下的细胞位姿调节技术操作机理,细胞姿态的3个自由度参量由3个正交平面内的翻转运动调节。以小鼠卵母细胞为实验材料,进行了原理性实验研究。实验结果表明,细胞位姿调节技术满足细胞自动定位要求,可实现6个自由度的精确定位。

隙控式全射流喷头性能特点及与摇臂式喷头的比较研究

研制了一种新型旋转式喷头——隙控式全射流喷头,介绍了其结构形式及工作原理。首次对二种PX 10型号的全射流喷头及一种PY 210摇臂式喷头的水力性能进行了对比试验及分析。研究表明:隙控式全射流喷头的流量大于试验用PY 2摇臂式喷头8%左右,射程比摇臂式喷头的射程明显加大,最大增幅达到31%。全射流喷头水量分布均匀性与摇臂式喷头相当,但末端雨滴直径小于摇臂式喷头。由于其独特的射流元件及反向机构,全射流喷头结构简单,性能优良,价格低廉,具有显著的节能效果及良好的市场前景。

固定几何气动矢量喷管技术综述

推力矢量控制技术的喷管实施方案普遍存在着结构复杂、质量重和可靠性设计难度高等问题,而固定几何气动矢量喷管技术因具有不变的几何结构和巧妙的流体控制方式,有望得到结构简单、质量轻和高可靠性的矢量喷管。综述了该技术的设计原理、特点以及国内外的技术现状和发展趋势,并认为先进推力矢量喷管技术的设计和应用应从深入研究主次流参数对喷管性能的影响、引气对发动机主机的影响、喉道调节范围的合理确定、应用技术研究和新型流体控制技术的开发等多角度进行固定几何气动矢量喷管的技术研究。该技术具有较好的未来发展前景。

数字核酸扩增检测技术的研究与应用进展

近年来,微纳尺度流体控制技术由于具备实现多相、多步和平行反应的优势,已成为传统分析手段的首选的补充和替代方法。其与核酸扩增方法的完美结合,有效推动了数字核酸扩增检测(Digital nucleic acid detection,dN AD)技术的建立与发展。作为可实现单分子水平检测的分析方法,dN AD技术已成为分子诊断领域重要的组成部分。本文回顾了dN AD技术的发展历程,阐述了其检测原理,以及相比于传统方法的优势,对其最新研究与应用进展进行了综述,并对其未来的发展进行了展望。

射流角度对平板横向射流的影响

采用数值和试验方法研究了射流角度对平板横向射流流动结构和工作特性的影响,将得出的规律应用于射流控制矢量喷管上.在小型风洞试验台上进行试验,用纹影方法来观察实验模型的流场结构,通过静压测点来测量实验模型的壁面压力.研究结果表明:数值与试验结果吻合较好;对平板横向射流,增大射流角度能增大射流上游的分离区,弓形激波位置更靠前,角度增加到一定大小,流场结构变化不再明显;对射流控制矢量喷管进行数值模拟得出,增大射流角度能有效提高喷管的推力矢量性能,在NPR为4.6,SPR为0.7条件下,射流角度从90°增加到130°,推力矢量性能提高28.3%.

射流式姿态控制发动机相邻控制力相互影响研究

文中采用二维 N—S方程结合两方程湍流模型对不同人口条件时的喷射流场进行了数值模拟,控制方程采用二阶精度的有限体积法进行空间离散,时间离散采用高斯—赛德尔隐式迭代格式。理论分析和数值模拟结果均表明:由于射流卷吸效应的存在,两股喷流均会向两喷口连线的垂直线方向发生偏转且在某一位置发生交会,且弹体实际受到的飞行姿态控制力将小于两股控制力的简单相加。

基于激波控制的流体推力矢量喷管试验

以二元收扩喷管为对象,开展了基于二次流喷射的流体推力矢量技术研究。基于试验研究,得到了不同喷管落压比、不同的二次流总压比和不同的二次流喷射角度多种工况下的喷管上下壁面中心线压力分布规律以及喷管壁面油流分布图。通过对不同工况下参数变化规律分析,给出了基于二次流喷射的流体推力矢量喷管的主次流气动参数及几何参数对流体推力矢量喷管流场结构和性能影响的关联关系。从试验和分析结果可以看出,喷管落压比、二次流总压比和二次流喷射角度等喷管的主次流气动几何参数对基于流体推力矢量喷管参数变化有明显的影响。

基于硅结构的微流体控制系统

基于硅结构的微流体控制系统 (μFCs)是微机电系统 (MEMS)中的一个重要分支 ,可广泛用于生物、医学、化工、电子等领域。主要综述了微流体控制系统中的微流体传感器、微型泵、微型阀的工作结构原理及其国内外研究现状 ,同时还探讨了集成微流体控制系统的研究现状。

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。

基于压电陶瓷的光开关结构设计与实验研究

提出一种新型的基于压电陶瓷以及微流控技术的阵列光开关,重点研究了该光开关波导层的光功率损耗。运用Opti-FIBER软件对波导层波导的耦合损耗进行了分析与仿真,实验测量了不同情况下光开关的耦合损耗。仿真及实验研究表明,该光开关理论最低插入损耗值为0.042 524 dB,光开关速度为100μs。该光开关具有结构简单、开关速度快和损耗低等优点。

物理法随钻防漏堵漏机理的数值模拟研究

物理法随钻防漏堵漏技术能有效控制和处理井漏事故,尤其对渗透性漏失和裂缝性漏失有较好的防漏堵漏效果。以Realizableκε紊流模型为基础,根据流体动力学理论建立了在旋转射流作用下环空流场的数学模型,分析了相应的边界条件,进行了网格划分,使用CFD软件Fluent模拟计算了物理法随钻防漏堵漏时的流场。模拟结果和试验结果基本相似,在实际环空返速下,侧向射流受到的干扰较小,并有很好的堵漏效果。模拟结果为物理法随钻防漏堵漏钻井水力参数设计、井底水力能量分配提供了理论依据。

物理法随钻堵漏技术的试验研究

分析了一种新的防漏堵漏技术——物理法随钻防漏堵漏技术的室内试验堵漏效果,根据其作用机理和基于该技术的井下物理模型,结合实际应用时的钻井参数,设计并制造了防漏堵漏试验装置。通过对比分析不同条件下的堵漏试验结果,研究旋转射流在井壁上的影响,对几种堵漏材料的随钻防漏堵漏效果进行了试验评价;在钻井液配方不变的条件下,分析了钻柱转速对堵漏效果的影响以及应用该技术前后的堵漏效果。最终确定了合理的随钻防漏堵漏钻井液配方,并证实物理法随钻防漏堵漏技术具有显著的防漏堵漏效果。