一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器及其控制方法与流程

本发明涉及高速飞行器内外流场的主动流动控制技术，具体涉及一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器及其控制方法。

背景技术：

射流是流体在压力的驱动下喷射至另一流体域中的流动现象。射流在强化换热，增强掺混，推迟边界层分离以及流体控制上有着已被证明具有良好的效果。这使得射流在众多流体机械水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。

射流可分为连续性射流和脉动射流两类。对于连续性射流，流场里任一位置处流场参数不随时间变化。脉冲射流是流体流经具有控制阀门开断的装置(如电磁阀，旋转阀)将连续的流体变为间断的或波动的射流形式。脉冲射流具有三种形式：第一种射流在装置出口处周期性的吞和吐，其净流量为零，该种射流称为合成射流；第二种射流利用电磁阀的周期性的开和断实现，电磁阀打开，射流流出，电磁阀关闭，射流流出停止；第三种射流是在连续射流上施加一个速度脉动，第三种是最常见的射流形式。

火花型合成射流是脉冲射流的一种形式。执行机构是火花型合成射流激发器。激发器腔内分布的若干个高压电极放电后迅速加热腔内的气体，使得腔内的压力在数毫秒内急剧升高并在孔口产生射流。腔内气体喷射出后，腔内的压力小于外界压力，外界的气体将进入腔体补充上次激发损失的气体。火花型合成射流由于能够产生超声速射流而被认为是一种未来新的超声速流场控制技术。但是，现有火花型合成射流的缺陷使得火花发生器难于在高速、超高速流场的流动控制上得到运用。具体表现：射流的动量通量和能量小，壳体内腔自然冷却时间较长，工作频率低。这阻碍火花型合成射流激发器在高速流场上的运用。

Saddoughi发明了一个电弧驱动的火花型合成射流激发器(专利号：US 20110147476 A1)。然而电弧驱动能量小，其使用的陶瓷材料易使得腔内的热量无法散失，不利于外界环境气体在回填阶段充分填充激发腔。杨振兵发明了一种动压式高能合成射流激发器(申请号：201010502479.0)，其利用外部高速来流所具有的动能迅速增填腔体内介质，使激发器腔体内的介质快速稠密化。由于火花型放电产生生的瞬时高压远远大于外界，以及动压进口与射流出口之间外场的流动阻力远小于流体从动压进口进入腔体并从射流出口的流动阻力，所以该装置利用外部高速来流在动压进口附近产生局部高压并不能使得动压进口单向通道，反而动压进口的存在由于压力泄露过快及两孔相距较远降低了火花发生器的效能。

流体主动控制方法未来将向多种射流，多重控制方向发展。单一形式射流控制方式不再满足流场的实时动态控制。此时，迫切需要发明一种设备，该设备能够产生多种射流并根据外界流场工况选择合适的射流形式。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有的火花型合成射流激发器低能量、低动量、被动吸气、难以对外界主流产生持续影响的现状，以及目前单一装置难于对流场施加多种流体控制方式的问题，提出了一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器，包含气缸、火花塞、进气导管、电磁阀和电磁阀控制器；

所述气缸上设有用于喷出射流的孔口；

所述进气导管与所述气缸导通，用于连接外部气源；

所述火花塞设置在气缸底部，其正极和负极与外部高压放电器相连，用于在所述气缸内放电；

所述电磁阀设置在进气导管中，用于控制进气导管的导通和隔断；

所述电磁阀控制器用于控制电磁阀的开合。

作为本发明一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器进一步的优化方案，所述气缸呈空心圆柱状，所述孔口设置在气缸顶部的圆心上；

所述火花塞的正极呈圆柱状、负极呈圆环状，火花塞的负极环绕在其正极外，且火花塞的正极、火花塞的负极、气缸的轴线在同一条直线上。

作为本发明一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器进一步的优化方案，所述进气导管与所述气缸的轴线垂直，穿过气缸的侧壁与气缸导通。

作为本发明一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器进一步的优化方案，所述进气导管的轴线和所述气缸的轴线在同一条直线上；

所述火花塞的底部设有穿过其轴心、与气缸底壁平行的通孔；

所述进气导管穿过气缸的底壁与所述通孔相连。

作为本发明一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器进一步的优化方案，所述孔口为圆形孔口或狭缝孔口。

作为本发明一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器进一步的优化方案，所述孔口为剖面由内向外收缩型孔口、剖面缩扩型孔口或直孔中的一种。

将火花塞与电磁阀组合在一起，火花塞电极两端高压放电，极短时间内，电极附近在极短时间内产生高温高压气体，进而在孔口处产生火花型合成射流。电磁阀安装在腔体上并接入气源，电磁阀根据信号发生器输入信号可以产生连续性射流(电磁阀全开)和脉冲射流(电磁阀间断开合)。

本发明还公开了一种该基于电磁阀的火花型合成射流激发器的控制方法，包含以下步骤：

若需要孔口处产生连续性射流，控制火花塞不工作、电磁阀保持全开；

若需要孔口处产生脉冲射流，控制火花塞不工作、电磁阀按照预设的频率间断开合；

若需要孔口处产生火花型合成射流，控制火花塞放电、电磁阀保持闭合；

若需要孔口处产生火花能量强化连续性射流，控制火花塞放电，电磁阀保持全开；

若需要孔口处产生火花能量强化脉冲射流，控制电磁阀按照预设的频率间断开合，且在电磁阀全开时控制火花塞放电、在电磁阀闭合时控制火花塞停止放电。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用了火花塞高压放电的瞬时能力输入射流以及电磁阀的通断控制流体的通断来产生多种射流形式以及强化机制，具体来说能够产生5种形式的射流：

(1)连续性射流；

(2)脉冲射流；

(3)火花型合成射流；

(4)火花强化连续性射流；

(5)火花强化脉冲射流；

这几乎涵盖了目前射流的所有形式，使得本发明在工作时可以根据外部流场的形式选择合适的射流。

附图说明

图1是进气导管和火花塞垂直布置时本发明的结构示意图；

图2是进气导管和火花塞同轴布置时本发明的结构示意图；

图3（a）、图3（b）分别是圆形孔口或狭缝孔口的结构示意图；

图4（a）、图4（b）、图4（c）分别是剖面由内向外收缩型孔口、剖面缩扩型孔口和直孔的剖面示意图；

图5是装置系统结构图；

图6是本发明外观图；

图7是本发明产生连续性射流时的工作原理图；

图8是本发明模式产生脉冲射流时的工作原理图；

图9是本发明模式产生火花型合成射流时的工作原理图；

图10是本发明模式产生火花强化连续性射流时的工作原理图；

图11是本发明模式产生火花强化脉冲射流时的工作原理图。

图中，1-孔口，2-气缸的外壳，3-腔体，4-火花塞负极，5-火花塞正极，6-火花塞引出线，7-电磁阀出口，8-电磁阀，9-电磁阀入口，10-电磁阀控制器，11-火花塞内的通孔，12-高压放电器，13-信号发生器，14-上位机，15-电磁阀，16-火花塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于电磁阀的火花型合成射流激发器，包含气缸、火花塞、进气导管、电磁阀和电磁阀控制器；气缸上设有用于喷出射流的孔口1；进气导管与气缸导通，用于连接外部气源；火花塞设置在气缸底部，其正极5和负极6与外部高压放电器相连，用于在气缸内放电；电磁阀8设置在进气导管中，用于控制进气导管的导通和隔断；电磁阀控制器10用于控制电磁阀的开合。

气缸可以设置成空心圆柱状，并将孔口1设置在气缸顶部的圆心上；此外，可以将火花塞的正极5设计成圆柱状、负极6设计成圆环状，使得火花塞的负极6环绕在其正极5外，且火花塞的正极5、火花塞的负极6、气缸的轴线在同一条直线上。

进气导管和火花塞的位置关系优先设置为相互垂直或者同轴。

图1中，进气导管和火花塞16垂直布置，进气导管与气缸的轴线垂直，穿过气缸的侧壁与气缸导通。腔体3为圆柱形，轴向上，上部为孔口1，下部安装着火花塞16,火花塞16外环为火花塞负极4，中心圆柱为火花塞正极5。当火花塞正极5和火花塞负极4之间的电压增大到一定值，火花塞正极5和火花塞负极4之间的空气被电离和击穿，继而形成电弧，电弧使得腔体3内部放电区域的空气的温度和压力在极短时间内急剧增加，孔口1处形成高速的射流。腔体3侧部安装电磁阀。电磁阀出口7与腔体3连接，电磁阀8控制着电磁阀管道的通和断，当电磁阀8处于开的位置时，电磁阀入口9和电磁阀出口7是相通的；当电磁阀8处于闭合的位置时，电磁阀入口9和电磁阀出口7是不相通的。电磁阀入口9与气源连接。电磁阀8由电磁阀控制器10控制。外壳2为金属材料且与大地连接，这保证了整个装置的安全性。火花塞正极5和火花塞负极4的火花塞引出线6从腔体3底部，通过外壳2引出并与高压放电器12连接。除孔口外，电磁阀出口7和火花塞引出线6与腔体3密封良好。

图2中，进气导管和火花塞16同轴布置，进气导管的轴线和气缸的轴线在同一条直线上；火花塞的底部设有穿过其轴心且与气缸底壁平行的通孔11；进气导管穿过气缸的底壁与火花塞内的通孔11相连。。电磁阀入口9进气方向和火花塞16轴向相同。电磁阀出口7处气体运动沿腔体3轴向变为沿腔体径向。气流沿着火花塞内的通孔11流入腔内。此时，由于外壳2的阻碍，气流将流向电极。火花塞正极5和火花塞负极4之间放电时，电弧的带动效应将使得孔口1处射流的速度增加。与电磁阀15和火花塞16垂直布置方式相比，电磁阀15和火花塞16同轴布置时，从火花塞内的通孔11流入腔内的气体充分利用了火花塞16放电时，电弧对气体的带动效应。

如图3（a）、图3（b）所示，孔口1可以设置成两种形状：圆形孔口或狭缝孔口，外壳2和腔体3为圆柱形。圆形孔出来的射流为圆柱形，在流出孔口后剪切形成的环形的涡对，因此3维效应明显。狭缝出来的射流将沿狭缝长轴延伸和发展大于短轴方向。流出孔口后的射流沿长轴和短轴方向形成不同尺寸的涡对，长轴方向的涡对尺寸和强度显著大于短轴方向，因为孔口1为狭缝形状时，射流的2维效应显著。

如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示，孔口1可以由三种形状的剖面，第一种是由内向外收缩型剖面，第二种是收缩剖面，第三种是圆柱型剖面。第一种形状剖面适用于大流量情形，它可以使得孔口1出口处射流速度超过声速。第二种形状剖面适用于小流量情形，流体经过孔口1后速度增加。第一种形状剖面的孔口在气流转折处进行圆弧光滑过渡，以减少射流突然扩张带来的损失。

如图5所示，将火花塞正极5和火花塞负极4与高压放电器12连接。高压放电器通过电容充放电实现了火花塞16的周期性放电。电磁阀15的通断由信号发生器13进行控制。此外，通过上位机14同时对高压放电器12和信号发生器13进行控制。

图6是本发明外观图。

本发明公开了一种该基于电磁阀的火花型合成射流激发器的控制方法，包含以下步骤：

若需要孔口处产生连续性射流，控制火花塞不工作、电磁阀保持全开；

若需要孔口处产生脉冲射流，控制火花塞不工作、电磁阀按照预设的频率间断开合；

若需要孔口处产生火花型合成射流，控制火花塞放电、电磁阀保持闭合；

若需要孔口处产生火花能量强化连续性射流，控制火花塞放电，电磁阀保持全开；

若需要孔口处产生火花能量强化脉冲射流，控制电磁阀按照预设的频率间断开合，且在电磁阀全开时控制火花塞放电、在电磁阀闭合时控制火花塞停止放电。

下面就五种工作模式结合图进行阐述：

图7中，工作模式1：火花塞16不工作，电磁阀8保持全开，此时孔口1处产生连续性射流，此时孔口1处的射流速度不随时间变化。

图8中，工作模式2：火花塞16不工作，电磁阀8间断开合，孔口1处产生脉冲射流。此时，信号发生器13对电磁阀控制器10施加周期性脉动信号，电磁阀8将周期性的打开或闭合。当电磁阀8打开时，孔口1处有射流通过，当电磁阀8闭合时，孔口1处没有射流通过，如此反复，孔口1处产生周期性波动的射流。

图9中，工作模式3：火花塞16放电，电磁阀8保持闭合，此时孔口1处产生火花型合成射流。因为高压放电器12驱动着火花塞16周期性的放电。腔体3内的压力在数毫秒内急剧升高并在孔口产生射流。此后，腔体3内的压力小于环境，部分气体将被吸入腔体3，孔口1处的射流的速度出现负值。装置在该模式下射流的净质量流量为零。

图10中，工作模式4：火花塞16放电，电磁阀8保持全开，此时孔口1处产生火花能量强化连续性射流。此时，从电磁阀出口7流入腔体3。腔体3内的气体在火花放电瞬间温度和压力升高，进而孔口1出口射流的速度增加。由于电磁阀出口7流入腔体3内的连续性射流和火花放电同时作用。孔口1出口射流速度呈现周期性波动。

图11中，工作模式5：一个周期内电磁阀8间断开合，当电磁阀8保持全开时，火花塞16放电，当电磁阀8保持闭合时，火花塞16停止放电。此时孔口处产生火花能量强化脉冲射流。此时孔口1出口处的射流呈现复杂的脉动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。