本發(fā)明涉及高速飛行器內(nèi)外流場的主動流動控制技術(shù)，具體涉及一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器及其控制方法。

背景技術(shù)：

射流是流體在壓力的驅(qū)動下噴射至另一流體域中的流動現(xiàn)象。射流在強(qiáng)化換熱，增強(qiáng)摻混，推遲邊界層分離以及流體控制上有著已被證明具有良好的效果。這使得射流在眾多流體機(jī)械水泵、蒸汽泵、通風(fēng)機(jī)、化工設(shè)備和噴氣式飛機(jī)等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

射流可分為連續(xù)性射流和脈動射流兩類。對于連續(xù)性射流，流場里任一位置處流場參數(shù)不隨時間變化。脈沖射流是流體流經(jīng)具有控制閥門開斷的裝置(如電磁閥，旋轉(zhuǎn)閥)將連續(xù)的流體變?yōu)殚g斷的或波動的射流形式。脈沖射流具有三種形式：第一種射流在裝置出口處周期性的吞和吐，其凈流量為零，該種射流稱為合成射流；第二種射流利用電磁閥的周期性的開和斷實現(xiàn)，電磁閥打開，射流流出，電磁閥關(guān)閉，射流流出停止；第三種射流是在連續(xù)射流上施加一個速度脈動，第三種是最常見的射流形式。

火花型合成射流是脈沖射流的一種形式。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是火花型合成射流激發(fā)器。激發(fā)器腔內(nèi)分布的若干個高壓電極放電后迅速加熱腔內(nèi)的氣體，使得腔內(nèi)的壓力在數(shù)毫秒內(nèi)急劇升高并在孔口產(chǎn)生射流。腔內(nèi)氣體噴射出后，腔內(nèi)的壓力小于外界壓力，外界的氣體將進(jìn)入腔體補(bǔ)充上次激發(fā)損失的氣體?；鸹ㄐ秃铣缮淞饔捎谀軌虍a(chǎn)生超聲速射流而被認(rèn)為是一種未來新的超聲速流場控制技術(shù)。但是，現(xiàn)有火花型合成射流的缺陷使得火花發(fā)生器難于在高速、超高速流場的流動控制上得到運用。具體表現(xiàn)：射流的動量通量和能量小，殼體內(nèi)腔自然冷卻時間較長，工作頻率低。這阻礙火花型合成射流激發(fā)器在高速流場上的運用。

Saddoughi發(fā)明了一個電弧驅(qū)動的火花型合成射流激發(fā)器(專利號：US 20110147476 A1)。然而電弧驅(qū)動能量小，其使用的陶瓷材料易使得腔內(nèi)的熱量無法散失，不利于外界環(huán)境氣體在回填階段充分填充激發(fā)腔。楊振兵發(fā)明了一種動壓式高能合成射流激發(fā)器(申請?zhí)枺?01010502479.0)，其利用外部高速來流所具有的動能迅速增填腔體內(nèi)介質(zhì)，使激發(fā)器腔體內(nèi)的介質(zhì)快速稠密化。由于火花型放電產(chǎn)生生的瞬時高壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界，以及動壓進(jìn)口與射流出口之間外場的流動阻力遠(yuǎn)小于流體從動壓進(jìn)口進(jìn)入腔體并從射流出口的流動阻力，所以該裝置利用外部高速來流在動壓進(jìn)口附近產(chǎn)生局部高壓并不能使得動壓進(jìn)口單向通道，反而動壓進(jìn)口的存在由于壓力泄露過快及兩孔相距較遠(yuǎn)降低了火花發(fā)生器的效能。

流體主動控制方法未來將向多種射流，多重控制方向發(fā)展。單一形式射流控制方式不再滿足流場的實時動態(tài)控制。此時，迫切需要發(fā)明一種設(shè)備，該設(shè)備能夠產(chǎn)生多種射流并根據(jù)外界流場工況選擇合適的射流形式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有的火花型合成射流激發(fā)器低能量、低動量、被動吸氣、難以對外界主流產(chǎn)生持續(xù)影響的現(xiàn)狀，以及目前單一裝置難于對流場施加多種流體控制方式的問題，提出了一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器及其控制方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器，包含氣缸、火花塞、進(jìn)氣導(dǎo)管、電磁閥和電磁閥控制器；

所述氣缸上設(shè)有用于噴出射流的孔口；

所述進(jìn)氣導(dǎo)管與所述氣缸導(dǎo)通，用于連接外部氣源；

所述火花塞設(shè)置在氣缸底部，其正極和負(fù)極與外部高壓放電器相連，用于在所述氣缸內(nèi)放電；

所述電磁閥設(shè)置在進(jìn)氣導(dǎo)管中，用于控制進(jìn)氣導(dǎo)管的導(dǎo)通和隔斷；

所述電磁閥控制器用于控制電磁閥的開合。

作為本發(fā)明一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述氣缸呈空心圓柱狀，所述孔口設(shè)置在氣缸頂部的圓心上；

所述火花塞的正極呈圓柱狀、負(fù)極呈圓環(huán)狀，火花塞的負(fù)極環(huán)繞在其正極外，且火花塞的正極、火花塞的負(fù)極、氣缸的軸線在同一條直線上。

作為本發(fā)明一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述進(jìn)氣導(dǎo)管與所述氣缸的軸線垂直，穿過氣缸的側(cè)壁與氣缸導(dǎo)通。

作為本發(fā)明一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述進(jìn)氣導(dǎo)管的軸線和所述氣缸的軸線在同一條直線上；

所述火花塞的底部設(shè)有穿過其軸心、與氣缸底壁平行的通孔；

所述進(jìn)氣導(dǎo)管穿過氣缸的底壁與所述通孔相連。

作為本發(fā)明一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述孔口為圓形孔口或狹縫孔口。

作為本發(fā)明一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述孔口為剖面由內(nèi)向外收縮型孔口、剖面縮擴(kuò)型孔口或直孔中的一種。

將火花塞與電磁閥組合在一起，火花塞電極兩端高壓放電，極短時間內(nèi)，電極附近在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓氣體，進(jìn)而在孔口處產(chǎn)生火花型合成射流。電磁閥安裝在腔體上并接入氣源，電磁閥根據(jù)信號發(fā)生器輸入信號可以產(chǎn)生連續(xù)性射流(電磁閥全開)和脈沖射流(電磁閥間斷開合)。

本發(fā)明還公開了一種該基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器的控制方法，包含以下步驟：

若需要孔口處產(chǎn)生連續(xù)性射流，控制火花塞不工作、電磁閥保持全開；

若需要孔口處產(chǎn)生脈沖射流，控制火花塞不工作、電磁閥按照預(yù)設(shè)的頻率間斷開合；

若需要孔口處產(chǎn)生火花型合成射流，控制火花塞放電、電磁閥保持閉合；

若需要孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化連續(xù)性射流，控制火花塞放電，電磁閥保持全開；

若需要孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化脈沖射流，控制電磁閥按照預(yù)設(shè)的頻率間斷開合，且在電磁閥全開時控制火花塞放電、在電磁閥閉合時控制火花塞停止放電。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明利用了火花塞高壓放電的瞬時能力輸入射流以及電磁閥的通斷控制流體的通斷來產(chǎn)生多種射流形式以及強(qiáng)化機(jī)制，具體來說能夠產(chǎn)生5種形式的射流：

(1)連續(xù)性射流；

(2)脈沖射流；

(3)火花型合成射流；

(4)火花強(qiáng)化連續(xù)性射流；

(5)火花強(qiáng)化脈沖射流；

這幾乎涵蓋了目前射流的所有形式，使得本發(fā)明在工作時可以根據(jù)外部流場的形式選擇合適的射流。

附圖說明

圖1是進(jìn)氣導(dǎo)管和火花塞垂直布置時本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是進(jìn)氣導(dǎo)管和火花塞同軸布置時本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3（a）、圖3（b）分別是圓形孔口或狹縫孔口的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別是剖面由內(nèi)向外收縮型孔口、剖面縮擴(kuò)型孔口和直孔的剖面示意圖；

圖5是裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明外觀圖；

圖7是本發(fā)明產(chǎn)生連續(xù)性射流時的工作原理圖；

圖8是本發(fā)明模式產(chǎn)生脈沖射流時的工作原理圖；

圖9是本發(fā)明模式產(chǎn)生火花型合成射流時的工作原理圖；

圖10是本發(fā)明模式產(chǎn)生火花強(qiáng)化連續(xù)性射流時的工作原理圖；

圖11是本發(fā)明模式產(chǎn)生火花強(qiáng)化脈沖射流時的工作原理圖。

圖中，1-孔口，2-氣缸的外殼，3-腔體，4-火花塞負(fù)極，5-火花塞正極，6-火花塞引出線，7-電磁閥出口，8-電磁閥，9-電磁閥入口，10-電磁閥控制器，11-火花塞內(nèi)的通孔，12-高壓放電器，13-信號發(fā)生器，14-上位機(jī)，15-電磁閥，16-火花塞。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明公開了一種基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器，包含氣缸、火花塞、進(jìn)氣導(dǎo)管、電磁閥和電磁閥控制器；氣缸上設(shè)有用于噴出射流的孔口1；進(jìn)氣導(dǎo)管與氣缸導(dǎo)通，用于連接外部氣源；火花塞設(shè)置在氣缸底部，其正極5和負(fù)極6與外部高壓放電器相連，用于在氣缸內(nèi)放電；電磁閥8設(shè)置在進(jìn)氣導(dǎo)管中，用于控制進(jìn)氣導(dǎo)管的導(dǎo)通和隔斷；電磁閥控制器10用于控制電磁閥的開合。

氣缸可以設(shè)置成空心圓柱狀，并將孔口1設(shè)置在氣缸頂部的圓心上；此外，可以將火花塞的正極5設(shè)計成圓柱狀、負(fù)極6設(shè)計成圓環(huán)狀，使得火花塞的負(fù)極6環(huán)繞在其正極5外，且火花塞的正極5、火花塞的負(fù)極6、氣缸的軸線在同一條直線上。

進(jìn)氣導(dǎo)管和火花塞的位置關(guān)系優(yōu)先設(shè)置為相互垂直或者同軸。

圖1中，進(jìn)氣導(dǎo)管和火花塞16垂直布置，進(jìn)氣導(dǎo)管與氣缸的軸線垂直，穿過氣缸的側(cè)壁與氣缸導(dǎo)通。腔體3為圓柱形，軸向上，上部為孔口1，下部安裝著火花塞16,火花塞16外環(huán)為火花塞負(fù)極4，中心圓柱為火花塞正極5。當(dāng)火花塞正極5和火花塞負(fù)極4之間的電壓增大到一定值，火花塞正極5和火花塞負(fù)極4之間的空氣被電離和擊穿，繼而形成電弧，電弧使得腔體3內(nèi)部放電區(qū)域的空氣的溫度和壓力在極短時間內(nèi)急劇增加，孔口1處形成高速的射流。腔體3側(cè)部安裝電磁閥。電磁閥出口7與腔體3連接，電磁閥8控制著電磁閥管道的通和斷，當(dāng)電磁閥8處于開的位置時，電磁閥入口9和電磁閥出口7是相通的；當(dāng)電磁閥8處于閉合的位置時，電磁閥入口9和電磁閥出口7是不相通的。電磁閥入口9與氣源連接。電磁閥8由電磁閥控制器10控制。外殼2為金屬材料且與大地連接，這保證了整個裝置的安全性?；鸹ㄈ龢O5和火花塞負(fù)極4的火花塞引出線6從腔體3底部，通過外殼2引出并與高壓放電器12連接。除孔口外，電磁閥出口7和火花塞引出線6與腔體3密封良好。

圖2中，進(jìn)氣導(dǎo)管和火花塞16同軸布置，進(jìn)氣導(dǎo)管的軸線和氣缸的軸線在同一條直線上；火花塞的底部設(shè)有穿過其軸心且與氣缸底壁平行的通孔11；進(jìn)氣導(dǎo)管穿過氣缸的底壁與火花塞內(nèi)的通孔11相連。。電磁閥入口9進(jìn)氣方向和火花塞16軸向相同。電磁閥出口7處氣體運動沿腔體3軸向變?yōu)檠厍惑w徑向。氣流沿著火花塞內(nèi)的通孔11流入腔內(nèi)。此時，由于外殼2的阻礙，氣流將流向電極。火花塞正極5和火花塞負(fù)極4之間放電時，電弧的帶動效應(yīng)將使得孔口1處射流的速度增加。與電磁閥15和火花塞16垂直布置方式相比，電磁閥15和火花塞16同軸布置時，從火花塞內(nèi)的通孔11流入腔內(nèi)的氣體充分利用了火花塞16放電時，電弧對氣體的帶動效應(yīng)。

如圖3（a）、圖3（b）所示，孔口1可以設(shè)置成兩種形狀：圓形孔口或狹縫孔口，外殼2和腔體3為圓柱形。圓形孔出來的射流為圓柱形，在流出孔口后剪切形成的環(huán)形的渦對，因此3維效應(yīng)明顯。狹縫出來的射流將沿狹縫長軸延伸和發(fā)展大于短軸方向。流出孔口后的射流沿長軸和短軸方向形成不同尺寸的渦對，長軸方向的渦對尺寸和強(qiáng)度顯著大于短軸方向，因為孔口1為狹縫形狀時，射流的2維效應(yīng)顯著。

如圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）所示，孔口1可以由三種形狀的剖面，第一種是由內(nèi)向外收縮型剖面，第二種是收縮剖面，第三種是圓柱型剖面。第一種形狀剖面適用于大流量情形，它可以使得孔口1出口處射流速度超過聲速。第二種形狀剖面適用于小流量情形，流體經(jīng)過孔口1后速度增加。第一種形狀剖面的孔口在氣流轉(zhuǎn)折處進(jìn)行圓弧光滑過渡，以減少射流突然擴(kuò)張帶來的損失。

如圖5所示，將火花塞正極5和火花塞負(fù)極4與高壓放電器12連接。高壓放電器通過電容充放電實現(xiàn)了火花塞16的周期性放電。電磁閥15的通斷由信號發(fā)生器13進(jìn)行控制。此外，通過上位機(jī)14同時對高壓放電器12和信號發(fā)生器13進(jìn)行控制。

圖6是本發(fā)明外觀圖。

本發(fā)明公開了一種該基于電磁閥的火花型合成射流激發(fā)器的控制方法，包含以下步驟：

若需要孔口處產(chǎn)生連續(xù)性射流，控制火花塞不工作、電磁閥保持全開；

若需要孔口處產(chǎn)生脈沖射流，控制火花塞不工作、電磁閥按照預(yù)設(shè)的頻率間斷開合；

若需要孔口處產(chǎn)生火花型合成射流，控制火花塞放電、電磁閥保持閉合；

若需要孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化連續(xù)性射流，控制火花塞放電，電磁閥保持全開；

若需要孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化脈沖射流，控制電磁閥按照預(yù)設(shè)的頻率間斷開合，且在電磁閥全開時控制火花塞放電、在電磁閥閉合時控制火花塞停止放電。

下面就五種工作模式結(jié)合圖進(jìn)行闡述：

圖7中，工作模式1：火花塞16不工作，電磁閥8保持全開，此時孔口1處產(chǎn)生連續(xù)性射流，此時孔口1處的射流速度不隨時間變化。

圖8中，工作模式2：火花塞16不工作，電磁閥8間斷開合，孔口1處產(chǎn)生脈沖射流。此時，信號發(fā)生器13對電磁閥控制器10施加周期性脈動信號，電磁閥8將周期性的打開或閉合。當(dāng)電磁閥8打開時，孔口1處有射流通過，當(dāng)電磁閥8閉合時，孔口1處沒有射流通過，如此反復(fù)，孔口1處產(chǎn)生周期性波動的射流。

圖9中，工作模式3：火花塞16放電，電磁閥8保持閉合，此時孔口1處產(chǎn)生火花型合成射流。因為高壓放電器12驅(qū)動著火花塞16周期性的放電。腔體3內(nèi)的壓力在數(shù)毫秒內(nèi)急劇升高并在孔口產(chǎn)生射流。此后，腔體3內(nèi)的壓力小于環(huán)境，部分氣體將被吸入腔體3，孔口1處的射流的速度出現(xiàn)負(fù)值。裝置在該模式下射流的凈質(zhì)量流量為零。

圖10中，工作模式4：火花塞16放電，電磁閥8保持全開，此時孔口1處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化連續(xù)性射流。此時，從電磁閥出口7流入腔體3。腔體3內(nèi)的氣體在火花放電瞬間溫度和壓力升高，進(jìn)而孔口1出口射流的速度增加。由于電磁閥出口7流入腔體3內(nèi)的連續(xù)性射流和火花放電同時作用?？卓?出口射流速度呈現(xiàn)周期性波動。

圖11中，工作模式5：一個周期內(nèi)電磁閥8間斷開合，當(dāng)電磁閥8保持全開時，火花塞16放電，當(dāng)電磁閥8保持閉合時，火花塞16停止放電。此時孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化脈沖射流。此時孔口1出口處的射流呈現(xiàn)復(fù)雜的脈動。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語）具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。