專利名稱：單膜雙腔雙口合成射流激勵器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到流體傳輸與控制技術(shù)領(lǐng)域，特指一種合成零質(zhì)量射流的單膜雙腔雙口合成射流激勵器。
背景技術(shù)：
合成射流是利用合成射流激勵器腔體內(nèi)振動膜片振動(如壓電、鐵電、電磁及靜電、或活塞驅(qū)動)，在激勵器出口孔縫處產(chǎn)生連續(xù)不斷向外擴展的一系列非定常渦環(huán)(或渦對)，它對主流的作用類似于一股射流。合成射流技術(shù)的顯著特點是不需要在流場內(nèi)引入額外的質(zhì)量，而是利用被控流場內(nèi)自身的流體“合成”的射流，因此又被稱為“零質(zhì)量射流”和“自耦合射流”。在流體傳輸和流動控制領(lǐng)域，如微泵、流動分離控制、氣動力控制、射流矢量控制、混合增強控制等方面，合成射流已顯示出常規(guī)射流所不具有的無需流體供應(yīng)及傳輸系統(tǒng)的優(yōu)勢，因此具有潛在和極為廣闊的應(yīng)用前景。
合成射流激勵器作為合成射流技術(shù)的作動部件，是合成射流技術(shù)發(fā)展的核心。目前，已有的合成射流激勵器有兩種構(gòu)型，一種是單膜驅(qū)動激勵器，如圖1所示，該單膜驅(qū)動激勵器包括一個振動膜1、一個腔體2和一個出口3，圖中水平線11以上為受控流場4，水平線11以下為環(huán)境流場5。振動膜1在驅(qū)動力的驅(qū)動下來回振動，壓縮和膨脹腔體2內(nèi)的流體，當腔體2處于膨脹過程中時，受控流場4中的流體從激勵器出口3周圍被吸入激勵器腔體2內(nèi)；當腔體2處于壓縮過程中時，腔體2內(nèi)的部分流體又會經(jīng)由出口3排出腔體2，在這種吸入/排出交替進行過程中，在出口3附近流體受到強烈的剪切作用，因而在出口3邊緣處產(chǎn)生流動分離(流動方向由進入腔體2轉(zhuǎn)為流向受控流場4)，進而隨排出流體向上卷起形成旋渦對(或渦環(huán))，旋渦一經(jīng)形成，就會以自誘導速度向下游遷移，在振動膜1的周期性振動過程中，在激勵器出口3處產(chǎn)生連續(xù)不斷向外擴展的一系列非定常渦環(huán)(或渦對)，從而在出口3下游合成射流6。另一種是雙膜驅(qū)動激勵器，如圖2所示，雙膜驅(qū)動激勵器包括第一振動膜7、第二振動膜8、一個腔體9以及一個出口10，其工作過程與單膜驅(qū)動激勵器相同，但是雙膜驅(qū)動激勵器工作時，需要兩個電源，同時還要準確控制好相位差。
現(xiàn)有技術(shù)中這兩種合成射流激勵器存在的不足就在于1、單膜驅(qū)動激勵器中的振動膜1的兩個側(cè)面分別處于受控流場4和環(huán)境流場5中，而雙膜驅(qū)動激勵器的第一振動膜7和第二振動膜8的兩個側(cè)面也分別處于受控流場4和環(huán)境外流場5中，因此當受控流場4和環(huán)境外流場5之間存在較大壓差時，將使振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8承受較大壓載，這股壓載將極大地限制振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8的振動，使振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8無法起振，使合成射流激勵器無法正常工作，過大的壓載甚至會壓穿振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8，對合成射流激勵器造成毀滅性破壞；2、單膜驅(qū)動激勵器和雙膜驅(qū)動激勵器中振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8的一側(cè)處于環(huán)境外流場5中，因此振動膜1、第一振動膜7和第二振動膜8振動的輻射能量有一半耗散浪費在環(huán)境外流5中而沒有得到利用，從而降低了射流激勵器的整體工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有合成射流激勵器存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單新穎，能夠有效解決受控流場和環(huán)境流場間壓差引起的激勵器振動膜壓載問題，并能夠充分利用振動膜振動輻射能量的單膜雙腔雙口合成射流激勵器。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為一種單膜雙腔雙口合成射流激勵器，它包括一振動膜、第一腔體和第二腔體，其特征在于所述第一腔體和第二腔體為各自獨立腔體，第一腔體和第二腔體之間通過振動膜隔開；第一腔體和第二腔體上分別開設(shè)有第一出口和第二出口。
所述第一腔體和第二腔體的第一出口和第二出口之間設(shè)有可以滑動調(diào)節(jié)的調(diào)流滑塊。
所述調(diào)流滑塊的形狀為凸臺形、梯形體、棱形體、矩形體或其他不規(guī)則形狀。
所述第一腔體和第二腔體上第一出口和第二出口的形狀為圓孔或窄縫。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點就在于1、本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器采用兩個腔體共享一個振動膜的結(jié)構(gòu)，這樣的話，振動膜的兩個側(cè)面都處于同一受控流場，從而有效避免了受控流場和環(huán)境流場間壓差引起的振動膜壓載問題，且充分利用了振動膜振動的輻射能量，將振動膜振動時所產(chǎn)生的輻射能量完全利用于受控流場內(nèi)；2、本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器在兩個腔體的出口之間安裝一個用于調(diào)流作用的調(diào)流滑塊來控制兩個出口的面積比，從而可以有效控制兩出口射流的速度比和動量比，實現(xiàn)合成射流的矢量偏轉(zhuǎn)，這樣的話，使得該合成射流激勵器合成射流本身具有可調(diào)節(jié)功能，這為合成射流激勵器進行智能化和最優(yōu)化流動控制奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了條件；3、本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器可以利用不同構(gòu)型的調(diào)流滑塊來控制合成射流的流動特征；如凸臺構(gòu)型調(diào)流滑塊，則可以利用凸臺的阻擋作用減小兩相鄰射流間相互卷吸和抵消并促使其卷吸周圍更多的流體，并且可以利用射流的附壁效應(yīng)通過凸臺引導兩相鄰射流的并對和融合，使得合成射流更寬、能量水平更高；4、本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、容易和其它微控制元件集成的特點，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，且適合于以單個單膜雙腔雙口合成射流激勵器為單元制造為陣列結(jié)構(gòu)，這樣可以集成陣列合成射流，極大提高合成射流的總能量，實現(xiàn)對大面積流場的控制。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中單膜合成射流激勵器的工作原理示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中雙膜合成射流激勵器的工作原理示意圖；圖3是本發(fā)明單膜雙腔雙口合成射流激勵器實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)原理示意圖圖6是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖7是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖8是本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)原理示意圖圖9是本發(fā)明實施例1使用時合成射流速度矢量圖；圖10是本發(fā)明實施例2使用時合成射流速度矢量圖；圖11是本發(fā)明實施例3使用時合成射流速度矢量圖；圖12是本發(fā)明實施例4使用時合成射流速度矢量圖。
圖例說明1、振動膜2、腔體3、出口 4、受控流場5、環(huán)境流場 6、合成射流7、第一振動膜8、第二振動膜9、腔體 10、出口11、水平線 12、振動膜
13、第一腔體14、第二腔體15、第一出口16、第二出口17、合成射流18、調(diào)流滑塊具體實施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
實施例1如圖3和圖4所示，本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器，它包括一振動膜12、第一腔體13和第二腔體14，該第一腔體13和第二腔體14之間通過振動膜12分隔開來形成各自獨立的腔體，第一腔體13和第二腔體14上分別開設(shè)有第一出口15和第二出口16。其中，振動膜12的振動驅(qū)動可以是壓電、鐵電、電磁、靜電、活塞等驅(qū)動方式之任意一種，振動膜12的材料可采用彈性材料、柔性材料或復合材料，振動膜12的形狀可以按要求設(shè)計為任意形狀，如可以是圓形或矩形等；第一腔體13和第二腔體14可以按要求及振動膜12的形狀設(shè)計為任意形狀，如可以是圓柱體和矩形體等，如圖3所示在本實施例中為矩形體；腔體材料為非柔性的硬質(zhì)材料，適合于采用微細加工和微機械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造；第一腔體13和第二腔體14分別與振動膜12的一個側(cè)面密封連接，第一腔體13和第二腔體14上的第一出口15和第二出口16的形狀可以是任意形狀，通常采用圓孔或窄縫(如圖3所示)。
工作原理參見圖5，圖中水平線11以上為受控流場4，水平線11以下為環(huán)境流場5。振動膜12在驅(qū)動下來回振動，壓縮和膨脹第一腔體13和第二腔體14的流體，當振動膜12處于向右側(cè)振動過程時，第一腔體13處于膨脹過程，受控流場4中的流體從激勵器第一出口15周圍被吸入激勵器第一腔體13，而同時第二腔體14處于壓縮過程，第二腔體14內(nèi)的部分流體經(jīng)由第二出口16被擠壓排出；當振動膜12處于向左側(cè)振動過程時，第一腔體13處于壓縮過程，第一腔體13內(nèi)的部分流體經(jīng)由第一出口15被擠壓排出，而同時第二腔體14處膨脹過程，受控流場4中的流體從激勵器第二出口16周圍被吸入激勵器第二腔體14內(nèi)，在這種吸入/排出交替進行過程中，在第一出口15和第二出口16分別有一股非定常流形成，這兩股射流相位差為180°，在向下游遷移過程中相互作用并融合成一股能量更高的合成射流17。由于振動膜12的兩個側(cè)面分別處于激勵器第一腔體13和第二腔體14，第一腔體13和第二腔體14則分別通過第一出口15和第二出口16與同一受控流場4相通，即振動膜12的兩個側(cè)面的工作環(huán)境相同，因此單膜雙腔雙口合成射流激勵器可以有效避免受控流場4和環(huán)境流場5間壓差引起的振動膜12壓載問題，且振動膜12向兩個方向振動的輻射能量分別被激勵器第一腔體13和第二腔體14充分利用。在實施例1中，振動膜12采用壓電驅(qū)動，工作頻率500Hz，第一出口15和第二出口16為寬1mm的窄縫。如圖9所示，實施例1的激勵器合成射流17的速度矢量圖，振動膜12工作時，在激勵器第一出口15和第二出口16分別有一股非定常射流，相位差為180°，兩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。
實施例2如圖6所示，本實施例是在實施例1的基礎(chǔ)上在第一出口15和第二出口16之間增加一個調(diào)流滑塊18。調(diào)流滑塊18可以采用不同的構(gòu)型，如凸臺形、梯形體、棱形體、矩形體或其他不規(guī)則形體，該調(diào)流滑塊18的材料為非柔性的硬質(zhì)材料，適合于采用微細加工和微機械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造，調(diào)流滑塊18位于激勵器的第一出口15和第二出口16之間，并可以在控制下沿著水平方向左右滑動。
工作原理當調(diào)流滑塊18滑向左側(cè)的第一出口15時，參見圖6，第一出口15的出口面積減小，相應(yīng)地第二出口16面積增大，在流量不變的條件下，第一出口15處產(chǎn)生射流的速度和動量水平增大，而在出口16處產(chǎn)生射流速度和動量水平減小，這兩股動量不同的射流相互作用融合后將向低能量一側(cè)偏轉(zhuǎn)，即偏向右側(cè)；如果調(diào)流滑塊18滑向右側(cè)第二出口16，則合成射流17將偏向左側(cè)。因此，通過調(diào)流滑塊18控制第一出口15和第二出口16的面積比，可以有效控制兩出口合成射流17的速度比和動量比，實現(xiàn)合成射流17的矢量偏轉(zhuǎn)，使得本發(fā)明的單膜雙腔雙口合成射流激勵器本身具有矢量可調(diào)節(jié)功能，這為合成射流激勵器進行智能化和最優(yōu)化流動控制奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了條件。在實施例2中，調(diào)流滑塊18在水平方向向左側(cè)滑移0.3mm，因此第一出口15和第二出口16的面積比由原來的1∶1變?yōu)?.7∶1.3，其它參數(shù)與實施例1相同。如圖10所示，單膜雙腔雙口合成射流激勵器在調(diào)流滑塊18滑向左側(cè)后合成射流17的速度矢量圖，第一出口15處射流速度和動量水平增大，而第二出口16處的射流速度和動量水平減小，這兩股射流融合后的合成射流17偏向右側(cè)。
實施例3如圖7所示，本實施例的結(jié)構(gòu)基本與實施例2相同，區(qū)別就在于調(diào)流滑塊18的構(gòu)型不同，其結(jié)構(gòu)和工作原理示意如圖7所示。調(diào)流滑塊18可以采用不同的構(gòu)型，以凸臺構(gòu)型為例(如圖7)，其工作原理是利用凸臺的阻擋作用減小出口15和16兩相鄰射流的相互卷吸抵消作用并促使其卷吸周圍更多的流體，并利用射流的附壁效應(yīng)通過凸臺引導兩相鄰射流的并對融合，使合成射流17變得更寬，能量更高。實施例3中激勵器的工作參數(shù)與實施例1相同。圖11為單膜雙腔雙口合成射流激勵器采用凸臺構(gòu)型調(diào)流滑塊后合成射流17速度矢量圖。與圖9、圖10相比，圖11中合成射流變得更寬，能量更高。因此，單膜雙腔雙口合成射流激勵器可以利用不同構(gòu)型的調(diào)流滑塊，來控制合成射流的流動特征，如利用凸臺構(gòu)型調(diào)流滑塊，使合成射流變得更寬，能量更高。
實施例4如圖8所示，本實施例的結(jié)構(gòu)是以單個單膜雙腔雙口合成射流激勵器為單元集成而成的陣列結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和工作原理示意如圖8所示。激勵器陣列采用一個電源驅(qū)動，其功率要按激勵器單元的數(shù)量加倍，同時可以根據(jù)要求增加一個反相器來控制不同振動膜12，實現(xiàn)陣列合成射流的不同特征。激勵器陣列工作時，在每個激勵器單元下游都有合成射流17，這種陣列激勵器的總能量較單個激勵器大幅度提高，可以對大面積流場實施控制。在實施例4中，采用四個激勵器集成為一個陣列，增加一個反相器，振動膜12從左至右的初相位依次為0°、180°、0°、180°，單個激勵器的其它參數(shù)與實施例1相同。圖12為單膜雙腔雙口合成射流激勵器集成為陣列結(jié)構(gòu)的合成射流17的速度矢量圖。相鄰合成射流17發(fā)生相互作用，顯示出不同的流場特征。
本發(fā)明并不局限于以上四個實施例，除此之外，第一出口15和第二出口16的間距可以設(shè)計為較大距離，這樣在第一出口15和第二出口16下游的兩股射流由于間距較大而不發(fā)生相互作用，從而成為兩股獨立的合成射流；還可以根據(jù)需要采用其他構(gòu)型的調(diào)流滑塊18，或集成為陣列結(jié)構(gòu)的單膜雙腔雙口激勵器也可以增加調(diào)流滑塊18來實施控制等等。總而言之，本發(fā)明不但結(jié)構(gòu)簡單，而且還能夠有效解決受控流場和環(huán)境流場間壓差引起的激勵器振動膜壓載問題，并且能夠充分利用振動膜振動的輻射能量。
權(quán)利要求
1.一種單膜雙腔雙口合成射流激勵器，它包括一振動膜(12)、第一腔體(13)和第二腔體(14)，其特征在于所述第一腔體(13)和第二腔體(14)為各自獨立腔體，第一腔體(13)和第二腔體(14)之間通過振動膜(12)隔開；第一腔體(13)和第二腔體(14)上分別開設(shè)有第一出口(15)和第二出口(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單膜雙腔雙口合成射流激勵器，其特征在于所述第一腔體(13)和第二腔體(14)的第一出口(15)和第二出口(16)之間設(shè)有可以滑動調(diào)節(jié)的調(diào)流滑塊(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單膜雙腔雙口合成射流激勵器，其特征在于所述調(diào)流滑塊(18)的形狀為凸臺形、梯形體、棱形體、矩形體或其他不規(guī)則形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單膜雙腔雙口合成射流激勵器，其特征在于所述第一腔體(13)和第二腔體(14)上第一出口(15)和第二出口(16)的形狀為圓孔或窄縫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單膜雙腔雙口合成射流激勵器，它包括一振動膜、第一腔體和第二腔體，所述第一腔體和第二腔體為各自獨立腔體，第一腔體和第二腔體之間通過振動膜隔開；第一腔體和第二腔體上分別開設(shè)有第一出口和第二出口。本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效解決受控流場和環(huán)境流場間壓差引起的激勵器振動膜壓載問題，并能夠充分利用振動膜振動輻射能量的單膜雙腔雙口合成射流激勵器。
文檔編號F15D1/00GK1818399SQ20061003133
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者羅振兵, 夏智勛, 劉冰 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學