專利名稱：一種行波壁減阻器及控制行波壁減阻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體減阻技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及采用電流變閥或磁流變閥控制的行波壁減阻器及其控制行波壁減阻的方法。
背景技術(shù)：
在流體中高速運(yùn)動的物體，如飛機(jī)、火箭、汽車、艦船、魚雷等，都會受到流體的阻力影響而消耗大量能量，同時(shí)也限制了物體的運(yùn)動速度。因此，如何減少流體阻力非常重要。目前采用的減阻方式有多種，例如優(yōu)化物體的外形如采用流線型、水滴形，提高物體的表面光潔度，使用特殊處理的表面如“鯊魚皮”、“海豚皮”等。但現(xiàn)有方法都無法消除流體的粘性阻力，所以仍不可能達(dá)到大幅減阻的目的。
近年來，行波壁減阻的研究成為國內(nèi)外該領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。所謂行波壁減阻，就是構(gòu)造一種智能型的物體表面，此表面可以按照一定波長、波幅和波速產(chǎn)生一個(gè)沿表面運(yùn)動的行波，從而改變表面的流體運(yùn)動狀態(tài)，達(dá)到減阻的目的。
1990年在加拿大多倫多發(fā)表的《國際非穩(wěn)態(tài)流體動力學(xué)討論會論文集》[Inter.Symp.Nonsteady Fluid Dynamics，Toronto，Canada，SIAM(1990)359]和荷蘭愛思唯爾(Elsevier)出版社出版的《應(yīng)用力學(xué)進(jìn)展》(Advances in Applied Mechanics，Academic press，1996，32119-275)經(jīng)過計(jì)算從理論上證明，對于無粘流在無限長二維行波壁時(shí)，當(dāng)來流速度U與波速C之間存在關(guān)系C/U＝0.414時(shí)，流動自發(fā)達(dá)到周期狀態(tài)，而在行波壁每個(gè)波谷處產(chǎn)生穩(wěn)定的渦，產(chǎn)生“滾珠軸承效應(yīng)”，這時(shí)，理論上總阻力為零。
但是根據(jù)《日本物理學(xué)會期刊》(Journal of the Phys ical Society of Japan，Vol.36，No.6，June，1974pp.1683-1689)、美國期刊《飛機(jī)科技進(jìn)展》(Prog.Aerosp.Sci.，1977，85287-348)和聯(lián)合出版物研究處出版的《蘇聯(lián)仿生學(xué)》(USSR Bionics Trans.，JPRSL/9420，Dec.1980)介紹，現(xiàn)有的行波壁運(yùn)動是用純機(jī)械方式造成，從應(yīng)用角度看，其能量損耗大，體積過大，只能做成平面形狀，在實(shí)際的航行器上難以應(yīng)用。
據(jù)羅德公司主頁(URLhttp//www.mrfluid.com)介紹磁流變液是這樣一類液體的總稱當(dāng)不加磁場時(shí)，這類流體與普通的牛頓流體性質(zhì)相似，而一旦加磁場，流體性質(zhì)會發(fā)生急劇變化，呈現(xiàn)出類固體的特征，剪切屈服強(qiáng)度和表觀粘度會增加若干個(gè)數(shù)量級，去除磁場后，材料又會回復(fù)到原來的狀態(tài)。這種變化可以瞬間完成(毫秒量級)。磁流變液是一種由低磁導(dǎo)率的母液和均勻散布在其中的高磁導(dǎo)率微粒(如鐵粉)組成的懸浮液。
據(jù)《力學(xué)進(jìn)展》[第24卷第2期(1994年)154-162頁]介紹電流變液是這樣一類液體的總稱在外加電場的作用下，液體的粘性會隨電場強(qiáng)度的增加而明顯增大；當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，它會發(fā)生相變而迅速固化。固化過程在瞬間即可完成，所需時(shí)間通常在千分之一秒；該過程具有可逆性，即在電場撤消之后，電流變液又馬上會從固態(tài)變成液態(tài)。上述在電場作用下流變特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電流變效應(yīng)。通常，電流變液是一種兩相懸浮體系，由不導(dǎo)電的母液和均勻散布在其中的電介質(zhì)微粒組成。
《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》第13卷第2期(1998年6月)168-173頁指出，如果在流體流動的管道內(nèi)某一位置的兩側(cè)分別設(shè)置電極(或磁極)，施加電場(或磁場)后，流經(jīng)此處的電流變液(或磁流變液)的流體粘度增加，這樣就可以改變此處上下游的流體壓差，并且其大小可以用此處電場(或磁場)的大小無級調(diào)節(jié)，這就是電(磁)流變閥的工作原理。
但至今電、磁流變閥還處在初步探索階段，尚未見到在工程中實(shí)際應(yīng)用，尤其是未見到將其用于控制行波壁減阻的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種采用電流變閥或磁流變閥控制的行波壁減阻器以及控制行波壁減阻的方法，以克服現(xiàn)有機(jī)械方式行波壁減阻方法的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的行波壁減阻器，其特征在于將一組不少于5個(gè)兩端開口的彈性軟管10平行排列固定在基底11上，每個(gè)軟管10的一端裝有進(jìn)口流變閥12A，另一端裝有出口流變閥12B；在全部軟管10的排列面上貼整張彈性膜13；按照油箱14、過濾器15、油泵16、流變閥12A、軟管10、流變閥12B和油箱14的順序構(gòu)成流變液循環(huán)油路，油箱14中貯備流變液，在油泵16的出口和油箱14之間連接可調(diào)節(jié)流器17；以單片機(jī)控制系統(tǒng)18給出控制信號調(diào)制可控直流電源19控制各彈性軟管10兩端的流變閥12A和12B中的電壓或電流大?。徽麖垙椥阅?3的表面即成為行波壁減阻面13，即構(gòu)成行波壁減阻器；所述的流變閥12可采用電流變閥或磁流變閥；所述油箱14及其循環(huán)油路中的流變液相應(yīng)地采用電流變液5或磁流變液9；所述單片機(jī)控制系統(tǒng)18采用直流穩(wěn)壓電源24作為控制系統(tǒng)總電源，使用穩(wěn)壓芯片25A將電源電壓轉(zhuǎn)換后獲得單片機(jī)26和串行-并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片27需要的工作電壓；單片機(jī)26給出的串行數(shù)據(jù)信號經(jīng)串行-并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片27轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，分別控制可控直流電源19的各路電壓控制單元；用跳線開關(guān)30確定單片機(jī)26的工作頻率；所述可控直流電源19的控制電路為多路相同的電壓控制單元的并聯(lián)系統(tǒng)，其控制路數(shù)為所需控制流變閥的數(shù)目，其中某一路的電壓控制單元為將直流穩(wěn)壓電源24作為系統(tǒng)的最高電壓，使用穩(wěn)壓芯片25B將電壓源的電壓轉(zhuǎn)換成輸出端所需的各級電壓V1～Vn，按電壓精度要求設(shè)置電壓的級數(shù)，每一個(gè)電壓輸出端通過一電路開關(guān)28和本單元的最終輸出端OUT相連，由上述單片機(jī)控制系統(tǒng)18所給出的信號經(jīng)放大電路29放大后分別控制這些開關(guān)的開閉，從而按要求將不同的電壓輸出端和最終輸出端OUT相連而輸出所需的電壓；所述電路開關(guān)28可采用三極管做數(shù)字開關(guān)或直接使用繼電器開關(guān)。
當(dāng)所述流變閥12采用電流變閥時(shí)，其特征在于在用不導(dǎo)電材料制成的電流變液通道1內(nèi)設(shè)置有間隙4相距0.5-2毫米的一對電極板2、3，將電極板2、3引出分別與可控直流電源19的正、負(fù)極相連接；電流變液5經(jīng)通道1流過電極板2、3之間的間隙4；通過控制電極2、3間電壓的高低可改變從正負(fù)極板2、3間隙4中流過的電流變液5在通道1兩側(cè)的流體壓力差，從而構(gòu)成電流變閥。
當(dāng)所述流變閥12采用磁流變閥時(shí)，其特征在于由鐵磁性材料制成的鐵芯6穿過電磁線圈7構(gòu)成電磁鐵，將線圈7的接頭引出和可控直流電源19的正、負(fù)極相連接；用非鐵磁性材料(如有色金屬、工程塑料、工業(yè)陶瓷)制成的磁流變液通道8置于電磁鐵產(chǎn)生的磁場內(nèi)和磁力線垂直的方向上；通過改變電磁線圈7中的電流或線圈7兩端的電壓，可控制流過通道8的磁流變液9的流動阻力，從而構(gòu)成磁流變閥。
上述采用磁流變閥時(shí)的行波壁減阻器系統(tǒng)中，也可以采用旋轉(zhuǎn)圓盤的方式控制所述磁流變閥的磁場，其特征在于在底板23上安裝可繞其軸線旋轉(zhuǎn)的圓盤20，在圓盤20的邊緣處固定永磁體21，同時(shí)在靠近圓盤20邊緣處的底板23上固定磁流變閥12；以電機(jī)22帶動圓盤20旋轉(zhuǎn)，永磁體21在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地靠近和離開閥門而改變閥門間的磁場強(qiáng)度，通過改變電機(jī)22的轉(zhuǎn)速可以控制磁流變閥12的磁場變化周期。
上述行波壁減阻器中的彈性軟管10也可以采用一面敞開并蒙上彈性膜，其它面封閉的槽體來代替，該彈性膜可隨內(nèi)壓改變而變形。
本發(fā)明的采用電流變閥或磁流變閥控制行波壁減阻的方法，其特征在于把行波壁減阻面13固定在待減阻的運(yùn)動物體表面，貼在彈性膜13背面的一組軟管10內(nèi)通流變液沿垂直于流體運(yùn)動的方向依次平行擺放固定在基底11上；用單片機(jī)控制系統(tǒng)18編程后給出控制的信號，調(diào)制可控直流電源19分別控制各軟管10兩端的進(jìn)口流變閥12A和出口流變閥12B以分別控制各軟管10內(nèi)的壓力按各軟管10的排列順序依次控制各進(jìn)口電流變閥兩極板2、3之間的電壓、或磁流變閥電磁線圈7中的電流強(qiáng)度按照設(shè)定的周期從零到最大值再減少到零按周期性循環(huán)變化；但其后面的出口磁流變閥的線圈或電流變閥的極板電壓按順序依次比上一個(gè)閥推遲一個(gè)相位，使構(gòu)成一個(gè)完整的變化周期，每個(gè)出口流變閥比相應(yīng)的進(jìn)口端閥推遲二分之一個(gè)周期的相位，使兩者的電壓或電流之和為定值；進(jìn)口閥封閉，出口閥打開時(shí)彈性軟管內(nèi)壓最小，進(jìn)口閥打開，出口閥封閉時(shí)內(nèi)壓最大，如此控制各彈性軟管10中的壓力，使彈性軟管一個(gè)接一個(gè)的依次波動，產(chǎn)生沿軟管排列方向運(yùn)動的行波，使貼在各平行彈性軟管10上的行波壁減阻面13產(chǎn)生完整的周期性行進(jìn)波形；油泵16使油箱14中貯備的足量流變液，經(jīng)過濾器15在油路系統(tǒng)中循環(huán)，通過可調(diào)節(jié)流器17調(diào)節(jié)高壓端油壓使其可以將彈性軟管膨脹到最大而又不至于脹壞軟管；通過調(diào)節(jié)磁流變閥電磁線圈7中的電流強(qiáng)度或電流變閥極板2、3間的電壓高低來改變行波壁的波幅，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)18的輸出信號來改變行波壁的周期；當(dāng)需要減阻的流體流過行波壁表面彈性膜13時(shí)，根據(jù)流體流速調(diào)節(jié)行波壁波速達(dá)到合適的C/U比例，形成“滾珠軸承效應(yīng)”，從而可使流體阻力大大降低。
本發(fā)明由于設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動的行波壁面并將其和電流變閥或磁流變閥的控制結(jié)合，使用電流變閥或磁流變閥按要求控制彈性軟管內(nèi)的壓力，產(chǎn)生需要的動作，并且彈性軟管可以布置在任意外形的物體表面上，克服了純機(jī)械方法消耗能量多，體積大和只能做成平面形狀的缺點(diǎn)。本發(fā)明的減阻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)1)相對于通用的減阻方法，理論上講，行波壁繞流，流體阻力可以降為零，大大減少能量損失；2)由于使用磁流變閥控制行波壁，系統(tǒng)的能耗和體積都比同類的機(jī)械行波壁系統(tǒng)小得多，更具有實(shí)用性；3)可以按要求的大小設(shè)計(jì)，以使得其能很方便的布置在航行器表面；4)控制響應(yīng)速度在毫秒量級，調(diào)節(jié)方便；
5)相對于現(xiàn)有的機(jī)械行波壁系統(tǒng)，成本較低。


圖1為本發(fā)明的行波壁減阻器的系統(tǒng)原理圖。
圖2為行波壁面示意圖。
圖3為電流變閥的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖4為磁流變閥的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖5為采用旋轉(zhuǎn)圓盤方式控制磁流變閥磁場示意圖。
圖6為控制系統(tǒng)原理示意圖。
圖7為單片機(jī)控制系統(tǒng)18的控制電路原理圖。
圖8為可控直流電源19中的其中一路的電壓控制電路原理圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1采用電控磁流變閥的行波壁面減阻器及其控制方案按圖1所示組裝成行波壁面減阻器系統(tǒng)本實(shí)施例中使用醫(yī)用輸液乳膠橡皮管作為彈性軟管10，將一組5個(gè)兩端開口的長度為10厘米的橡膠彈性軟管10平行擺放固定在基底11上，在全部軟管10排成的尺寸為10厘米X8厘米的表面上貼整張彈性膜13如圖2所示；每個(gè)彈性軟管10兩端各裝有一個(gè)流變閥12進(jìn)口流變閥12A和出口流變閥12B，該流變閥12可采用電流變閥或磁流變閥，本實(shí)施例中采用了10個(gè)磁流變閥；按照油箱14、過濾器15、油泵16、磁流變閥12A、軟管10、磁流變閥12B和油箱14的順序構(gòu)成循環(huán)油路，在油泵16的出口和油缸14之間連接上可調(diào)節(jié)流器17；油箱14中貯備了足量的磁流變液，在油泵16的作用下在油路系統(tǒng)中循環(huán)，使用可調(diào)節(jié)流器17來調(diào)整高壓端的油壓，管內(nèi)的最大油壓變化范圍為0.2Mpa。過濾器15用來過濾大顆粒雜質(zhì)。用單片機(jī)控制系統(tǒng)18給出控制的信號，調(diào)制可控直流電源19對各流變閥分別進(jìn)行獨(dú)立控制(具體控制方法在后面作詳細(xì)說明)，以使彈性膜13表面的行波運(yùn)動方向與流體運(yùn)動方向一致成為行波壁減阻面13，即構(gòu)成行波壁面減阻器。
圖4給出了本實(shí)施例的磁流變閥的結(jié)構(gòu)示意圖使用鋁合金制成磁流變液的進(jìn)出通道8，用電工純鐵制成C型鐵芯6，開口處可做成兩個(gè)相距2mm相對的直徑為10mm的圓柱形磁極(這里只是給出一種方案，也可以采用矩形等其它形狀)，磁流變液通道8的中間部分做成與圓柱形磁極形狀相匹配的圓柱形腔體置于兩個(gè)圓柱形磁極之間；用CJ10-60交流接觸器線圈套在C型鐵芯6的中段作為磁流變閥的電磁線圈7，將線圈7的接頭引出和可控直流電源19的正、負(fù)極相連接，其額定電壓為24V，線圈可產(chǎn)生最大磁場強(qiáng)度達(dá)400mT。電磁線圈7通上電流后，鐵芯6的開口處形成N和S極，經(jīng)通道8流過圓柱形腔體的磁流變液9在磁場內(nèi)流動的方向與磁力線方向垂直。由于磁流變效應(yīng)引起了磁流變液類固化，使磁流變液具備了抗剪切能力，其剪切屈服強(qiáng)度的大小可以通過調(diào)節(jié)電磁線圈7中的電流大小無級控制。使用美國LORD公司的磁流變液，在400mT下可達(dá)到30kPa的剪切屈服強(qiáng)度。因?yàn)榇帕髯円?經(jīng)過磁流變閥后的流體壓降和其剪切屈服強(qiáng)度成正比，所以可以使用磁流變閥控制進(jìn)出流體的壓力差。
軟管10內(nèi)的壓力控制原理為高壓端油壓為pm，低壓端油壓為p0。進(jìn)口端磁流變閥壓降Δpin，出口端磁流變閥壓降為Δpoul。進(jìn)口閥封閉，出口閥打開時(shí)彈性軟管內(nèi)壓最小，進(jìn)口閥打開，出口閥封閉時(shí)內(nèi)壓最大，使用單片機(jī)控制系統(tǒng)18控制磁流變閥中電磁線圈7的電流強(qiáng)度Iin=Imax(1+sinωt)2,]]>Iout=Imax(1-sinωt)2,]]>式中，Iin為進(jìn)口端線圈電流強(qiáng)度，Ioul為出口端線圈電流強(qiáng)度，Imax為最大電流強(qiáng)度。這樣可以改變磁流變液剪切屈服強(qiáng)度，使τin=τmax(1+sinωt)2,]]>τout=τmax(1+sinωt)2,]]>式中τin為進(jìn)口端磁流變液的屈服強(qiáng)度，τout為出口端磁流變液的屈服強(qiáng)度，τmax為磁流變液可達(dá)到的最大屈服強(qiáng)度。同時(shí)，調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)流器17使高壓端油壓pm=2Lhτmax+p0.]]>此時(shí)，軟管10內(nèi)的油壓為p=τmax(1-sinωt)Lh+p0.]]>而軟管10的外徑也會相應(yīng)地發(fā)生周期波動。將p＝p0時(shí)作為波谷，p=Lhτmax+p0]]>時(shí)作為零點(diǎn)，p=2Lhτmax+p0]]>時(shí)作為波峰。軟管10的運(yùn)動可以看作是周期為ω的正弦波動。將5個(gè)軟管按順序擺放，依次使控制電壓滯后π/2相位，造成軟管按次序起伏，可以構(gòu)成一個(gè)波長。這樣5個(gè)軟管依次固定在基座11上后，推動表面彈性膜按次序起伏波動，就可以形成一個(gè)完整的波形。表面附以彈性膜13后就構(gòu)成了行波壁。使用5個(gè)軟管組成的行波波長50mm，波幅約5mm。調(diào)節(jié)油壓、電流強(qiáng)度和控制周期可以改變行波壁的波幅和周期。
圖7給出了單片機(jī)控制系統(tǒng)18的控制電路原理圖。本實(shí)施例中的單片機(jī)控制系統(tǒng)18中使用的主要器件為89C2051型單片機(jī)；74HC595型串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片；s8050NPN型三極管；s8550PNP型三極管；7805型12V至5V穩(wěn)壓芯片；7812型24V至12V穩(wěn)壓芯片；4007二極管等。各器件的連結(jié)組合方式如圖7所示穩(wěn)壓芯片7812的2腳接地，1腳接+24V電源，3腳輸出12V電壓。穩(wěn)壓芯片7805的2腳接地，1腳接12V電壓，3腳輸出5V電壓。單片機(jī)89C2051的2、3、9、11、15、16、17、18和20腳空置。1腳經(jīng)10u電容C3連接+5V，同時(shí)經(jīng)10k電阻R60接地。4腳經(jīng)30P電容C1接地，同時(shí)經(jīng)12M的晶振和5腳相連。5腳經(jīng)30P電容C2接地。6、7、8腳分別連接3個(gè)74HC595芯片的11、12腳和第一個(gè)74HC595的14腳。10腳接地。12、13、14腳連接跳線開關(guān)S3、S2和S1后接地，另一端各自經(jīng)1k電阻R41、R43和R42連接+5V。16和20腳之間連上電阻R65和發(fā)光二極管D21并接上+5V，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。由S3、S2和S1組成的跳線開關(guān)30確定單片機(jī)26的工作頻率。3個(gè)串行-并行轉(zhuǎn)換芯片74HC595中，第一個(gè)的14腳從單片機(jī)獲得串行信號，它的9腳和第二個(gè)74HC595的14腳相連，第二個(gè)的9腳和第三個(gè)的14腳相連，共同處理控制信號。三個(gè)芯片的8和13腳連在一起。16腳都連接+5V，10腳空置，15、1、2、3、4、5、6、7腳輸出將89C2051單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)控制信號IN1-1、IN1-2、IN2-1、IN2-2...依次類推，分別控制10個(gè)單閥電壓控制單元。本實(shí)施例中采用蘇州安伏電子有限公司生產(chǎn)的EFORE牌AC/DC-DC多組輸出可調(diào)直流電源為控制系統(tǒng)(即單片機(jī)控制系統(tǒng)18和可控直流電源19)提供24V電源。
控制磁流變閥電磁線圈7中的電流強(qiáng)度按周期性變化，如按正弦函數(shù)變化，具體實(shí)施方法是編寫程序，使某一路輸出電平按照0伏、12伏、24伏、12伏然后再恢復(fù)到0、12、24、12伏的方式周期循環(huán)變化，是對正弦函數(shù)的數(shù)值近似。閥的電壓的控制采用數(shù)字開關(guān)電路的方法。圖8給出了可控直流電源19中的其中某一路的電壓控制電路原理圖s8050三極管Q14的發(fā)射極接地，基極經(jīng)1k電阻R26和上述的74HC595芯片的一個(gè)信號輸出15腳相連，接收IN1-1信號，集電極經(jīng)10k電阻R61連接+12V，同時(shí)經(jīng)5.1k電阻R28連接s8550三極管Q28的基極。Q28的發(fā)射極和+12V相連，集電極連接單元電壓輸出端OUT1。當(dāng)74HC595芯片給Q14基極高電平1信號時(shí)，信號被其放大用于接通Q28，OUT1輸出+12V。使用同樣型號的s8050三極管Q16、s8550三極管Q38，采用同樣的連接方法將+24V電壓和OUT1相連。但是Q16的基極和上述的74HC595芯片的1腳相連，接收IN1-2信號，Q28和Q38的集電極間用4007二極管D16隔離，Q28至Q38為反向截止，OUT1和地線間用4007二極管D14隔離，OUT1至地線為反向截止。當(dāng)兩個(gè)s8050的基級都為0(低電平)時(shí)，兩個(gè)s8550三極管是不導(dǎo)通的。所以輸出為0電壓。當(dāng)其中一個(gè)s8050的基級為1(高電平)時(shí)，就會打開相應(yīng)的s8550而使電源(12V或24V)和輸出端相通，輸出相應(yīng)的電壓(12V或24V)。兩個(gè)s8050的基級同時(shí)為1(高電平)的情況是不允許發(fā)生的。這樣通過控制信號給出(0，0)，(1，0)和(0，1)就能從電壓輸出端得到0，12V和24V的電壓。為滿足更高的電壓精度要求，可以使用更多不同電壓的穩(wěn)壓芯片獲得多級電壓，并按照上述的輸出控制方式增加輸出接點(diǎn)，通過控制各接點(diǎn)開關(guān)的通斷，可以輸出更多種類的電壓，這樣對特定函數(shù)電壓變化的擬合會更準(zhǔn)確。
本實(shí)施例中采用一組5個(gè)兩端開口的橡膠彈性軟管10，其進(jìn)口端和出口端共10個(gè)磁流變閥的周期控制，讓電壓如下變化進(jìn)口端5個(gè)磁流變閥的線圈都按照24、12、0、12伏的四相方式周期循環(huán)供電，但是后一個(gè)線圈按順序依次比上一個(gè)線圈推遲一個(gè)相位。出口端5個(gè)磁流變閥的線圈按照0、12、24、12伏的四相方式周期循環(huán)供電，后一個(gè)線圈也按順序依次比上一個(gè)線圈推遲一個(gè)相位。
輸出信號的周期是由軟件的計(jì)時(shí)子程序中計(jì)時(shí)算法循環(huán)的次數(shù)與循環(huán)時(shí)間的乘積來決定的，改變控制周期的方法有兩種1.循環(huán)時(shí)間和主板主頻率成正比，通過跳線改變主板的主頻率，可以改變輸出信號的周期；2.在頻率不變時(shí)，修改子程序中的循環(huán)次數(shù)也可以改變輸出信號的周期。
經(jīng)過調(diào)節(jié)行波周期和流經(jīng)行波壁表面的水流流速進(jìn)行配比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)C/U＝0.309時(shí)，在行波壁的波谷處形成了穩(wěn)定的渦，在理論上這可以將阻力減為零。因?yàn)榭梢杂么帕髯冮y按要求任意控制橡膠軟管內(nèi)的壓力，產(chǎn)生需要的動作，在控制上要比純機(jī)械方式方便和靈活得多，橡膠軟管還可以布置在任意外形的物體表面上，克服了純機(jī)械方法只能做成平面形狀的缺點(diǎn)，可以實(shí)用于具體飛行器上。消耗的能量的和設(shè)備所占體積也要小很多。
實(shí)施例2采用旋轉(zhuǎn)圓盤方式控制磁流變閥磁場的行波壁面減阻器圖5給出了本實(shí)施例采用機(jī)械的方式控制磁流變閥12的磁場示意圖在底板23上安裝可繞其軸線旋轉(zhuǎn)的鋁合金圓盤20，其邊緣用緊定螺釘固定釹鐵硼永磁體21，在底板23靠近圓盤20邊緣的地方固定磁流變閥12，把普通桑塔納轎車的雨刷電動機(jī)22的軸和圓盤軸相連，帶動圓盤20旋轉(zhuǎn)，永磁體21在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地靠近和離開閥門，改變閥門間的磁場強(qiáng)度?？赏ㄟ^改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制磁流變閥12的磁場變化周期。這樣通過控制旋轉(zhuǎn)圓盤20來控制磁流變閥磁場，不使用單片機(jī)也可以控制行波壁面減阻器系統(tǒng)，其它控制方式不變。
實(shí)施例3采用電流變閥和電流變液的行波壁面減阻器本實(shí)施例采用電流變閥和電流變液來取代上述系統(tǒng)中磁流變閥和磁流變液。圖3給出了電流變閥的結(jié)構(gòu)示意圖使用聚四氟乙烯制成電流變液通道1，其中間段做成圓柱形腔體，兩塊電極2和3，內(nèi)設(shè)置有用銅板制成的一對電極板2、3相距間隙4為0.5-2毫米；將電極板2、3引出分別與直流電源的正、負(fù)極相連接；電流變液經(jīng)通道1流過電極板2、3之間的間隙4；電流變液可以用以下介紹的方法自制將納米尺寸量級的二氧化鈦粉末按30％的體積百分比均勻分布在硅油中，或者將納米尺寸量級的鈦酸鋇顆粒按30％的體積百分比均勻分布在硅油中等。電極2和3之間的電壓高低可以無級調(diào)節(jié)，通過控制電極2、3間電壓的高低可改變從正負(fù)極板2、3間隙4中流過的電流變液在通道兩側(cè)的流體壓力差；控制電極2、3間電壓的高低，即可改變從正負(fù)極板2、3間隙中流過的電流變液5在通道兩側(cè)的流體壓力差，從而成為電流變閥。具體控制時(shí)，用單片機(jī)控制系統(tǒng)18的輸出信號控制可控直流電源19，電源19輸出高壓(2000V左右)到控制電極2和3上，改變電壓高低，可以改變閥門兩側(cè)流體壓力降。其它控制方式不變。
權(quán)利要求
1.一種行波壁減阻器，其特征在于將一組不少于5個(gè)兩端開口的彈性軟管10平行排列固定在基底11上，每個(gè)軟管10的一端裝有進(jìn)口流變閥12A，另一端裝有出口流變閥12B；在全部軟管10的排列面上貼整張彈性膜13；按照油箱14、過濾器15、油泵16、流變閥12A、軟管10、流變閥12B和油箱14的順序構(gòu)成流變液循環(huán)油路，油箱14中貯備流變液，在油泵16的出口和油箱14之間連接可調(diào)節(jié)流器17；以單片機(jī)控制系統(tǒng)18給出控制信號調(diào)制可控直流電源19控制各彈性軟管10兩端的流變閥12A和12B中的電壓或電流大小；整張彈性膜13的表面即成為行波壁減阻面13，即構(gòu)成行波壁減阻器；所述的流變閥12可采用電流變閥或磁流變閥；所述油箱14及其循環(huán)油路中的流變液相應(yīng)地采用電流變液5或磁流變液9；所述單片機(jī)控制系統(tǒng)18采用直流穩(wěn)壓電源24作為控制系統(tǒng)總電源，使用穩(wěn)壓芯片25A將電源電壓轉(zhuǎn)換后獲得單片機(jī)26和串行-并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片27需要的工作電壓；單片機(jī)26給出的串行數(shù)據(jù)信號經(jīng)串行-并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片27轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，分別控制可控直流電源19的各路電壓控制單元；用跳線開關(guān)30確定單片機(jī)26的工作頻率；所述可控直流電源19的控制電路為多路相同的電壓控制單元的并聯(lián)系統(tǒng)，其控制路數(shù)為所需控制流變閥的數(shù)目，其中某一路的電壓控制單元為將直流穩(wěn)壓電源24作為系統(tǒng)的最高電壓，使用穩(wěn)壓芯片25B將電壓源的電壓轉(zhuǎn)換成輸出端所需的各級電壓V1～Vn，按電壓精度要求設(shè)置電壓的級數(shù)，每一個(gè)電壓輸出端通過一電路開關(guān)28和本單元的最終輸出端OUT相連，由上述單片機(jī)控制系統(tǒng)18所給出的信號經(jīng)放大電路29放大后分別控制這些開關(guān)的開閉，從而按要求將不同的電壓輸出端和最終輸出端OUT相連而輸出所需的電壓；所述電路開關(guān)28可采用三極管做數(shù)字開關(guān)或直接使用繼電器開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的行波壁減阻器，特征在于所述電流變閥為在用不導(dǎo)電材料制成的電流變液通道1內(nèi)設(shè)置有間隙4相距0.5-2毫米的一對電極板2、3，將電極板2、3引出分別與可控直流電源19的正、負(fù)極相連接；電流變液5經(jīng)通道1流過電極板2、3之間的間隙4；通過控制電極2、3間電壓的高低可改變從正負(fù)極板2、3間隙4中流過的電流變液5在通道1兩側(cè)的流體壓力差，從而構(gòu)成電流變閥。
3.如權(quán)利要求1所述的行波壁減阻器，特征在于所述磁流變閥為由鐵磁性材料制成的鐵芯6穿過電磁線圈7構(gòu)成電磁鐵，將線圈7的接頭引出和可控直流電源19的正、負(fù)極相連接；用非鐵磁性材料(如有色金屬、工程塑料、工業(yè)陶瓷)制成的磁流變液通道8置于電磁鐵產(chǎn)生的磁場內(nèi)和磁力線垂直的方向上；通過改變電磁線圈7中的電流或線圈7兩端的電壓，可控制流過通道8的磁流變液9的流動阻力，從而構(gòu)成磁流變閥。
4.如權(quán)利要求1所述的行波壁減阻器，特征在于采用旋轉(zhuǎn)圓盤的方式控制所述磁流變閥的磁場在底板23上安裝可繞其軸線旋轉(zhuǎn)的圓盤20，在圓盤20的邊緣處固定永磁體21，同時(shí)在靠近圓盤20邊緣處的底板23上固定磁流變閥12；以電機(jī)22帶動圓盤20旋轉(zhuǎn)，永磁體21在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地靠近和離開閥門而改變閥門間的磁場強(qiáng)度，通過改變電機(jī)22的轉(zhuǎn)速可以控制磁流變閥12的磁場變化周期。
5.一種采用電流變閥或磁流變閥控制行波壁減阻的方法，其特征在于把行波壁減阻面13固定在待減阻的運(yùn)動物體表面，貼在彈性膜13背面的一組軟管10內(nèi)通流變液沿垂直于流體運(yùn)動的方向依次平行擺放固定在基底11上；用單片機(jī)控制系統(tǒng)18編程后給出控制的信號，調(diào)制可控直流電源19分別控制各軟管10兩端的進(jìn)口流變閥12A和出口流變閥12B以分別控制各軟管10內(nèi)的壓力按各軟管10的排列順序依次控制各進(jìn)口電流變閥兩極板2、3之間的電壓、或磁流變閥電磁線圈7中的電流強(qiáng)度按照設(shè)定的周期從零到最大值再減少到零按周期性循環(huán)變化；但其后面的出口磁流變閥的線圈或電流變閥的極板電壓按順序依次比上一個(gè)閥推遲一個(gè)相位，使構(gòu)成一個(gè)完整的變化周期，每個(gè)出口流變閥比相應(yīng)的進(jìn)口端閥推遲二分之一個(gè)周期的相位，使兩者的電壓或電流之和為定值；進(jìn)口閥封閉，出口閥打開時(shí)彈性軟管內(nèi)壓最小，進(jìn)口閥打開，出口閥封閉時(shí)內(nèi)壓最大，如此控制各彈性軟管10中的壓力，使彈性軟管一個(gè)接一個(gè)的依次波動，產(chǎn)生沿軟管排列方向運(yùn)動的行波，使貼在各平行彈性軟管10上的行波壁減阻面13產(chǎn)生完整的周期性行進(jìn)波形；油泵16使油箱14中貯備的足量流變液，經(jīng)過濾器15在油路系統(tǒng)中循環(huán)，通過可調(diào)節(jié)流器17調(diào)節(jié)高壓端油壓使其可以將彈性軟管膨脹到最大而又不至于脹壞軟管；通過調(diào)節(jié)磁流變閥電磁線圈7中的電流強(qiáng)度或電流變閥極板2、3間的電壓高低來改變行波壁的波幅，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)18的輸出信號來改變行波壁的周期；當(dāng)需要減阻的流體流過行波壁表面彈性膜13時(shí)，根據(jù)流體流速調(diào)節(jié)行波壁波速達(dá)到合適的C/U比例，形成“滾珠軸承效應(yīng)”，從而大大降低流體阻力。
全文摘要
本發(fā)明采用電流變閥或磁流變閥控制的行波壁減阻器以及控制行波壁減阻的方法，特征是用油泵在由油箱、過濾器、油泵、流變閥、軟管、流變閥和油箱構(gòu)成的流變液循環(huán)油路中產(chǎn)生高壓和低壓區(qū)；在一組平行排列的彈性軟管上覆彈性膜構(gòu)成行波壁面，裝在航行器表面；使流變液在軟管中流過；以單片機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)制可控直流電源控制各彈性軟管兩端流變閥中的電壓或電流以使行波壁面形成與運(yùn)動方向相反的行波；所述流變閥可采用電流變閥或磁流變閥，其流變液相應(yīng)采用電流變液或磁流變液。利用本發(fā)明可按要求設(shè)計(jì)行波壁減阻面，便于布置在航行器表面，方便地調(diào)節(jié)行波速到合適值，響應(yīng)速度快；流體阻力和能量損失低；能耗、體積比和成本比機(jī)械行波壁小得多。
文檔編號F15D1/00GK1796803SQ20041010323
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者吳峰, 張先舟 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)