本技術(shù)涉及流體力學(xué)，尤其涉及一種用于流場控制的超聲射流激勵器。

背景技術(shù)：

1、流體廣泛存在于物質(zhì)世界，而在許多情況下會對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不利影響。例如，氣動阻力是汽車、列車等地面交通工具行駛中重要的阻力來源，120km/h的速度下，氣動阻力占汽車總阻力約為80％；而在飛機上，機翼表面產(chǎn)生的流場分離會導(dǎo)致升力下降阻力增加，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致飛機失速墜毀；管道內(nèi)流體由層流向湍流轉(zhuǎn)捩會顯著增加邊界層內(nèi)氣流速度梯度，進而產(chǎn)生更強的摩擦阻力，增加使用管道輸送燃氣、水、石油時的能耗；相似的現(xiàn)象也存在于輪船、潛艇等周圍以水為介質(zhì)的流體中。

2、為了應(yīng)對流體產(chǎn)生的不利影響，流體的主動控制方法近年來得到了廣泛的研究，其中脈沖射流技術(shù)受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界被證實可以顯著減少汽車阻力和并實現(xiàn)機翼的增升減阻。采用脈沖射流進行流場控制的關(guān)鍵之處在于激勵器的設(shè)計。理想的激勵器應(yīng)該能對流場產(chǎn)生有利的擾動，同時兼具能量效率高，環(huán)境影響小，經(jīng)濟性好等特點。

3、現(xiàn)有的脈沖射流激勵器主要是由震動薄膜、揚聲器、機械活塞、等離子體等作為激勵源，將激勵源安裝在空腔側(cè)一側(cè)，空腔另一側(cè)開有狹縫或孔。工作時激勵源進行周期性的運動從而驅(qū)動流體周期性地通過狹縫或孔射出或吸進，從而產(chǎn)生脈沖射流。激勵器具有相對較大的空腔和相對較小的狹縫，符合亥姆霍茲共振的產(chǎn)生條件，因此激勵器在工作時存在亥姆霍茲共振現(xiàn)象，會大大增加共振頻率附近的射流強度，促進射流的產(chǎn)生。此外，還有部分研究者采用高壓氣源和高頻閥門產(chǎn)生脈沖射流。

4、現(xiàn)有脈沖射流的工作原理是通過激勵源的周期運動產(chǎn)生壓力波，壓力波在通過狹縫時將靜壓轉(zhuǎn)化為動壓，從而產(chǎn)生脈沖射流。由于脈沖射流的非定常性，壓力波向脈沖射流的轉(zhuǎn)化并非完全，會存在相當(dāng)部分壓力波會繼續(xù)向下游傳播，從而在下游產(chǎn)生巨大的噪聲?，F(xiàn)有脈沖射流激勵器的噪聲問題大大限制了其進一步應(yīng)用，同時具有能量效率低的缺點，不利于在真實條件下應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有脈沖射流的缺點，提出一種能防止噪聲污染且具有有效的流場控制效果的脈沖射流裝置。

2、為達到上述目的，本實用新型提出一種用于流場控制的超聲射流激勵器，包括超聲激勵源、空腔和狹縫出口：

3、所述超聲激勵源使用超聲波作為激勵源，通過所述超聲激勵源產(chǎn)生脈沖射流和方向性的超聲壓力波；

4、所述空腔采用流線型設(shè)計結(jié)構(gòu)，有效減少了結(jié)構(gòu)突變造成的能量損失；

5、所述空腔一端與所述超聲激勵源相連接，另一端與所述狹縫出口相連接，使得所述超聲激勵源、空腔、狹縫出口共同構(gòu)成亥姆霍茲共振器。

6、進一步的，所述空腔包括腔體和腔頸，所述腔體通過所述腔頸，與所述狹縫出口相連接；所述腔體采用流線型結(jié)構(gòu)，所述腔體與所述腔頸為一體化結(jié)構(gòu)。

7、進一步的，空腔與狹縫出口可以一體化相連接，也可以通過螺紋連接，并在螺紋連接處設(shè)置橡膠墊片，保證密封效果。

8、進一步的，所述腔頸頭端連接所述腔體，尾端與所述狹縫出口相連接；所述腔頸頭端內(nèi)徑大于尾端內(nèi)徑；

9、所述腔頸采用漸變式過渡結(jié)構(gòu)，使得所述腔頸的頭端內(nèi)徑至尾端內(nèi)徑呈過渡式逐漸減小。

10、進一步的，所述超聲激勵源為產(chǎn)生超聲波的裝置，所述超聲激勵源為產(chǎn)生超聲波的壓縮驅(qū)動器、壓電傳感器或揚聲器。

11、進一步的，所述超聲激勵源與所述空腔通過螺紋相連接。

12、進一步的，所述超聲激勵源與所述空腔的螺紋連接處設(shè)有橡膠墊片，保證密封效果。

13、進一步的，所述空腔與所述狹縫一體化連接或通過螺紋相連接。

14、所述腔體可以采用對稱式結(jié)構(gòu)，也可以為了便于在不同環(huán)境下安裝，采用非對稱結(jié)構(gòu)。

15、所述超聲射流激勵器應(yīng)用于汽車湍流尾跡氣動減阻、機翼增升減阻、管道內(nèi)流場控制以及邊界層主動控制的流場控制領(lǐng)域。

16、通過所述超聲射流激勵器，進行射流控制的方法為：1)通過所述超聲激勵源，產(chǎn)生超聲壓力波；2)所述超聲壓力波在經(jīng)過所述空腔時，由于亥姆霍茲共振會放大，最終通過所述狹縫出口，轉(zhuǎn)化為脈沖射流；3)未完全轉(zhuǎn)化的部分作為超聲波向下游繼續(xù)傳導(dǎo)，并在向下游傳導(dǎo)的同時部分轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)氣流。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)勢之處在于：

18、1、與傳統(tǒng)脈沖射流激勵器會產(chǎn)生巨大的噪音相比，本實用新型通過設(shè)置超聲激勵源，產(chǎn)生的是超聲波，不會對人耳造成負(fù)面影響，解決了噪聲污染問題，大大增加了實際應(yīng)用的能力。

19、2、本實用新型通過使用超聲激勵源在不對人耳產(chǎn)生噪聲污染的情況下產(chǎn)生脈沖射流和方向性的超聲壓力波，從而實現(xiàn)對流體進行主動控制，為真實條件下流場控制方法的應(yīng)用提供可行方案。

20、3、本實用新型使用超聲波作為激勵源，超聲波的波長較短，在空氣中損耗大，因此傳播距離更短，不易衍射，穿透力比較差，易衰減，從而減小了對環(huán)境的影響；與其他聲波相比，超聲波具有各向異性，從狹縫出口射出后，會向下游傳播而不會向其他方向擴散，進一步減小對環(huán)境的影響，同時由于超聲波較為集中，集中的超聲壓力波會產(chǎn)生明顯的誘導(dǎo)氣流，對流場產(chǎn)生較強擾動從而產(chǎn)生獨特的流場控制效果。

21、4、通過本實用新型提出的超聲射流激勵器，可以產(chǎn)生高集中度高強度的超聲，該高集中度高強度的超聲從狹縫出口射出后，部分會在下游轉(zhuǎn)化為波狀氣流，從而產(chǎn)生一定流場控制的效果。

22、5、本實用新型采用流線型結(jié)構(gòu)的腔體和漸變式結(jié)構(gòu)的腔頸，有效減少了結(jié)構(gòu)突變造成的能量損失。

23、6、本實用新型超聲射流激勵器結(jié)構(gòu)緊湊小巧，方便安裝，可以安裝在車身、機翼、管道等的壁面，易于在不同環(huán)境和工況下使用，具有較強的應(yīng)用范圍。

技術(shù)特征：

1.一種用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，包括超聲激勵源、空腔和狹縫出口：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述空腔包括腔體和腔頸，所述腔體通過所述腔頸，與所述狹縫出口相連接；所述腔體采用流線型結(jié)構(gòu)，所述腔體與所述腔頸為一體化結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述腔頸頭端連接所述腔體，尾端與所述狹縫出口相連接；所述腔頸頭端內(nèi)徑大于尾端內(nèi)徑；所述腔頸采用漸變式過渡結(jié)構(gòu)，使得所述腔頸的頭端內(nèi)徑至尾端內(nèi)徑呈過渡式逐漸減小。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述超聲激勵源為產(chǎn)生超聲波的裝置。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述超聲激勵源為產(chǎn)生超聲波的壓縮驅(qū)動器、壓電傳感器或揚聲器。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述超聲激勵源與所述空腔通過螺紋相連接；所述超聲激勵源與所述空腔的螺紋連接處設(shè)有橡膠墊片。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于流場控制的超聲射流激勵器，其特征在于，所述空腔與所述狹縫一體化連接或通過螺紋相連接。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)提出一種用于流場控制的超聲射流激勵器，包括超聲激勵源、空腔和狹縫出口，其中，超聲激勵源使用超聲波作為激勵源，通過超聲激勵源產(chǎn)生脈沖射流和方向性的超聲壓力波；所述空腔采用流線型設(shè)計結(jié)構(gòu)，有效減少結(jié)構(gòu)突變造成的能量損失；所述空腔一端與所述超聲激勵源相連接，另一端與所述狹縫出口相連接，使得所述超聲激勵源、空腔、狹縫出口共同構(gòu)成亥姆霍茲共振器所述超聲壓力波在。本技術(shù)通過使用超聲作為激勵源，既降低了對環(huán)境的影響，也有效解決了噪聲污染問題，其產(chǎn)生的脈沖射流和方向性的超聲壓力波，能實現(xiàn)對流體的主動控制，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，方便安裝，易于在不同環(huán)境和工況下使用，具有較強的應(yīng)用范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：朱太行,龐加斌,謝月,程冠達
受保護的技術(shù)使用者：同濟大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：20240710
技術(shù)公布日：2025/5/8