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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(yùn)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(shí)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(yùn)用。

Saddoughi發(fā)明了一個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)動態(tài)控制。此時(shí)，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(shí)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(shí)間內(nèi)，電極附近在極短時(shí)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(shí)控制火花塞放電、在電磁閥閉合時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的工作原理圖；

圖8是本發(fā)明模式產(chǎn)生脈沖射流時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)成圓柱狀、負(fù)極6設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)裝置的安全性。火花塞正極5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(yùn)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(shí)，由于外殼2的阻礙，氣流將流向電極?；鸹ㄈ龢O5和火花塞負(fù)極4之間放電時(shí)，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(shí)，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(shí)，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?yàn)榭卓?為狹縫形狀時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)控制火花塞放電、在電磁閥閉合時(shí)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(shí)孔口1處產(chǎn)生連續(xù)性射流，此時(shí)孔口1處的射流速度不隨時(shí)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(shí)，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(shí)，孔口1處有射流通過，當(dāng)電磁閥8閉合時(shí)，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(shí)孔口1處產(chǎn)生火花型合成射流。因?yàn)楦邏悍烹娖?2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(shí)孔口1處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化連續(xù)性射流。此時(shí)，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(shí)作用。孔口1出口射流速度呈現(xiàn)周期性波動。

圖11中，工作模式5：一個(gè)周期內(nèi)電磁閥8間斷開合，當(dāng)電磁閥8保持全開時(shí)，火花塞16放電，當(dāng)電磁閥8保持閉合時(shí)，火花塞16停止放電。此時(shí)孔口處產(chǎn)生火花能量強(qiáng)化脈沖射流。此時(shí)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(shí)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(shí)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)。