[发明专利]一种用于边界层控制的自适应表面及其工作方法

说明书

本发明公开了一种用于边界层控制的自适应表面及其工作方法，该自适应表面包括柔性可变形表面、变形控制装置、支撑结构体；柔性可变形表面由含有均匀分散球形散射体的高分子基体原位成型于支撑结构体构成；变形控制装置包括由压电式麦克风组成的超声相控阵、驱动单元、功率放大单元和阻抗匹配单元；支撑结构体为柔性可变形表面和变形控制装置提供安装平台，其背部带有固定装置，方便同目标对象与空气相接触的表面相连接；本发明为空气与固体壁面接触时形成边界层的控制提供了高柔性、高精确度的实施方式，结构简单，使用方便，可实现气动外形的智能调控、喷射系统效能优化。

技术领域

本发明属于流场控制技术领域，具体涉及一种用于边界层控制的自适应表面及其工作方法。

背景技术

气流在大雷诺数下流经壁面时，在壁面附近形成粘滞力不可忽略的边界层。在该流动薄层内，紧贴壁面的流体粘附在物面上，流体在远离壁面方向上速度逐渐增加，直到与自由流速相等。工程上可采用控制边界层的方法，使整个流动朝特定方向发展，从而调节作用于流场中物体上的阻力。边界层控制问题在诸多工程应用内引起了人们的广泛关注。例如涡轮泵，压气机、螺旋桨等的浆叶上的气流分离使机械效率降低，并会腐蚀壁面。另外，在赛车、航空领域，为了减小阻力并获得较高的下压力(保持汽车紧贴路面)或升力(飞行器起飞或飞行中)，工程师们采用具有光滑的细长流线形物面设计或层流翼剖面的方法维持层流边界层。总的来讲，当前控制边界层的方法主要有两种思路。一类是根据流体流过曲面时速度和压力的变化与曲面形状有关这一特性，改变壁面的形状，从而控制壁面上的压强梯度，尽量缩小脱离区。在CFD计算的帮助下，近年来壁面构型设计与优化取得了长足进步，但构型一旦加工完成，其形状难以根据来流速度进行调整，即其性能只能在某一包线内优化。另一类是考虑流动的内部因素，增加边界层内流体微团的动量以加强抗逆压力梯度的能力，例如吹气襟翼技术采用的在壁面吹吸流体，从而延缓分离，减少分离区，达到减少压差阻力的效果。然而由于流动的分离点和气流来流的状态有关，在固定点处吹气或吸气的控制方法往往不能满足实际的要求。为此，一些学者提出了流动主动控制的方法，即利用微型传感器测量绕流物面的流动特性，根据测得的信息，在壁面必要的位置实行流动控制。但该方法技术复杂，成本较高，还未在实际工程中取得应用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于边界层控制的自适应表面及其工作方法，解决当前边界层控制技术难以根据来流速度动态调整边界层，无法在较大的流速范围调整气动阻力问题，在实时测量来流速度基础上，通过自适应的调整壁面构型，实现流场的预期发展，控制流场中结构受到的阻力。本发明以压电超声换能器单元为基础构建超声相控阵，并将其埋入由二甲基硅氧烷和均匀分散金刚石构成的柔性可变形表面内；各超声换能器单元根据预期壁面构型所对应的声压和相位参数工作，在可变形表面与空气交界处生成目标声场；可变形表面与空气交界处的声辐射应力与流场气压、可变形表面弹性变形的应力平衡，实现壁面构型的自适应控制。整个系统具有结构紧凑、高柔性、低成本、可自动化控制等诸多特点。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于边界层控制的自适应表面，包括柔性可变形表面1、变形控制装置2和支撑结构体3；所述柔性可变形表面1直接通过原位成型法浇筑于变形控制装置2上部；所述支撑结构体3采用轻质中空结构，为柔性可变形表面1和变形控制装置2提供安装平台，其背部带有固定装置，方便同目标对象与空气相接触的表面相连接，从而控制目标对象产生的边界层；

所述柔性可变形表面1包括高分子基体101和均匀分散于柔性高分子基体101中的球状散射体102；

所述变形控制装置2包括依次相连的超声相控阵201、阻抗匹配单元202、功率放大单元203、信号激励单元204和交互单元205；超声相控阵201有多个压电超声换能器单元组成，压电超声换能器单元数量决定了阻抗匹配单元202、功率放大单元203、信号激励单元204中通道的数量。