一种抑制曲面激波与附面层干扰的MEMS驱动抽吸孔板

本发明涉及空气动力学，具体是一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板。

背景技术：

1、超音速、高超音速吸气式动力飞行器的进气道中，压缩气流的激波系常常发生严重的激波与附面层干扰，为了提高进气道压缩效率，需要采取某种形式的流场控制措施来减弱和消除激波与附面层干扰导致的分离流等不利流场结构，附面层抽吸是流场控制效果好、结构较为简单易行的一种常用手段。常见的附面层抽吸手段是在激波与附面层干扰的位置设置抽吸槽或抽吸孔板。

2、但是，传统的附面层抽吸槽等只能用于激波与附面层干扰位置固定的情况。附面层抽吸孔板适用于激波与附面层干扰位置在一定范围变化的情况，因此更多得到工程上的应用。附面层抽吸孔板目前最为先进的是开孔采用倾斜向前的自适应方案，超音流状态可由普朗特-迈耶膨胀波结构限制抽吸，亚音流状态尤其是激波与附面层干扰引发分离状态该结构可以有显著的抽吸效果。

3、即使目前先进抽吸技术设计的孔板，仍然面临一些问题：一.为了应对多种工况激波入射位置的变化，需要设置一个宽度较大(面积也较大)的抽吸带开孔，在不需要抽吸的地方，开孔影响了壁面的平滑，一定程度上增大了流动损失；二.为了控制由于开孔引起的流动损失，一般需要对抽吸孔板限制开孔率(开孔面积与孔板总面积之比，常设置在20％～30％或更小)，然而开孔率偏小又会严重影响附面层抽吸效果；三.曲面激波入射到壁面上时(当前最先进的三维内转式进气道、或称为三维内收缩进气道采用的就是曲面激波压缩气流)，激波面与壁面的交线呈曲线，且曲线随工况变化而改变，这种复杂情况使得上述两方面的矛盾更难协调。

技术实现思路

1、发明目的：本发明为解决上述问题，本发明提供一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板；本发明能够弥补传统的抽吸槽和现有抽吸孔板存在的不足，有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响，并在一定程度上减小局部的流动损失，保障内流品质。

2、技术方案：一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，包括抽吸孔板，所述抽吸孔板上开设有抽吸孔阵列；所述抽吸孔板上设有壁面静压测点阵列，每个测点上均设有一个稳态压力传感器，每个测点的静压信号由所述稳态压力传感器测出；每个抽吸孔内均设有覆盖孔口的弹性箔片；每个弹性箔片的下方均设有驱动所述弹性箔片封闭和开启抽吸孔的箔片驱动装置；

3、所述稳态压力传感器和箔片驱动装置与控制计算机连接；所述控制计算机根据接收到的静压信号，计算出抽吸孔板上的激波附面层干扰区，然后通过箔片驱动装置控制激波附面层干扰区内的弹性箔片开启抽吸孔，控制不在激波附面层干扰区的弹性箔片关闭抽吸孔。

4、进一步的，所述抽吸孔板的开孔率为40％～60％，所述抽吸孔为矩形孔，所述矩形孔中两个夹角为圆角且位于矩形孔的同一侧。

5、进一步的，所述壁面静压测点阵列，其测点布局根据抽吸孔板形状布置，均匀分布在所述抽吸孔阵列区域内。

6、进一步的，所述箔片驱动装置包括微气囊和mems启闭阀，所述微气囊与高压气路和抽吸腔连通；所述mems启闭阀联结高压气路和抽吸腔，用于控制高压气路和抽吸腔的关闭和开启；所述弹性箔片的一端固定在所述抽吸孔的内壁上，所述微气囊的上侧面与所述弹性箔片的下侧面固定连接，所述微气囊的下侧面位置固定。

7、进一步的，所述控制计算机为嵌入式单片机。

8、进一步的，抽吸孔板上的激波附面层干扰区的计算方法如下：

9、1)首先，控制计算机采用三次样条插值方法，对壁面静压测点阵列获得的压力数据进行处理，整理出壁面压力分布；

10、2)其次，以入射激波到此壁面的理论最大压力增量△p为参考值，按照△p/10的压力间隔作等压线；

11、理论最大压力增量△p范围的计算公式如下：

12、δp＝3pwave～8pwave

13、其中，pwave为波前压力，△p为入射激波到此壁面的理论最大压力增量；

14、3)最后，如果某条等压线与相邻等压线之间的间距小于激波前当地附面层动量损失厚度θ的2倍，则判断该等压线属于激波附面层干扰区，任意两条属于激波附面层干扰区之间的等压线也判断为在激波附面层干扰区内；

15、附面层动量损失厚度θ的公式如下：

16、

17、其中，θ为附面层动量损失厚度，ue为自由流速度，ρe为自由流密度，h为距离，ρ为附面层内某一点密度，u为附面层内某一点速度。

18、进一步的，所述控制计算机计算出抽吸孔板上的激波附面层干扰区后，向位于激波附面层干扰区的mems启闭阀发出开启信号，向不在激波附面层干扰区的mems启闭阀发出关闭信号：

19、位于激波附面层干扰区的mems启闭阀接收到控制键计算机的开启信号后，mems启闭阀接通抽吸腔，微气囊内的气体被抽出，弹性箔片在抽吸腔内低背压的作用下向下偏转打开抽吸孔；

20、不在激波附面层干扰区的mems启闭阀接收到控制键计算机输出的关闭信号，mems启闭阀接通高压气路，微气囊膨胀向上顶住弹性箔片使抽吸孔关闭。

21、有益效果：

22、本发明依据当前科研已验证过的激波诱发附面层分离的流场结构，利用壁面静压测点阵列获得的数据在控制计算机中采用特定算法形成对激波诱发附面层干扰区的判断；进而计算机控制在干扰区域内的抽吸孔下方mems启闭阀，控制微气囊排气进而驱动弹性箔片打开抽吸孔，保持其他不在干扰区的抽吸孔处于关闭情况且保持壁面呈较完整的固壁造型。这样，本发明的mems驱动抽吸孔板既能抑制激波/附面层干扰的不利影响，又尽量减少抽吸孔板过多放气和大面积开孔带来的气流能量损失，有效地抑制和削弱激波附面层干扰造成的分离流等的影响，并在一定程度上减小局部的流动损失，保障内流品质。

技术特征：

1.一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，包括抽吸孔板，所述抽吸孔板上开设有抽吸孔阵列；所述抽吸孔板上设有壁面静压测点阵列，每个测点上均设有一个稳态压力传感器，每个测点的静压信号由所述稳态压力传感器测出；每个抽吸孔内均设有覆盖孔口的弹性箔片；每个弹性箔片的下方均设有驱动所述弹性箔片封闭和开启抽吸孔的箔片驱动装置；

2.根据权利要求1所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，所述抽吸孔板的开孔率为40％～60％，所述抽吸孔为矩形孔，所述矩形孔中两个夹角为圆角且位于矩形孔的同一侧。

3.根据权利要求1所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，所述壁面静压测点阵列，其测点布局根据抽吸孔板形状布置，均匀分布在所述抽吸孔阵列区域内。

4.根据权利要求1所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，所述箔片驱动装置包括微气囊和mems启闭阀，所述微气囊与高压气路和抽吸腔连通；所述mems启闭阀联结高压气路和抽吸腔，用于控制高压气路和抽吸腔的关闭和开启；

5.根据权利要求1所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，所述控制计算机为嵌入式单片机。

6.根据权利要求4所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，抽吸孔板上的激波附面层干扰区的计算方法如下：

7.根据权利要求6所述一种抑制曲面激波与附面层干扰的mems驱动抽吸孔板，其特征在于，所述控制计算机计算出抽吸孔板上的激波附面层干扰区后，向位于激波附面层干扰区的mems启闭阀发出开启信号，向不在激波附面层干扰区的mems启闭阀发出关闭信号：

技术总结
本发明公开了一种抑制曲面激波与附面层干扰的MEMS驱动抽吸孔板，属于空气动力学技术领域，包括抽吸孔板，所述抽吸孔板上开设有抽吸孔阵列；所述抽吸孔板上设有壁面静压测点阵列，每个测点上均设有一个稳态压力传感器，每个测点的静压信号由所述稳态压力传感器测出；每个抽吸孔内均设有覆盖孔口的弹性箔片；每个弹性箔片的下方均设有驱动所述弹性箔片封闭和开启抽吸孔的箔片驱动装置；所述稳态压力传感器和箔片驱动装置与控制计算机连接。本发明能有效抑制激波与附面层干扰引发的气流分离，在不需要抑制时，弹性箔片关闭抽吸孔而保持壁面呈完整固壁造型，减小放气量和流动损失，且能适应曲面激波入射到壁面上的复杂情况。

技术研发人员：黄国平,钟苓,王瑞琳,雷岳迪
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13