面向主動(dòng)流動(dòng)控制的微致動(dòng)器陣列與仿真分析.pdf

1、近年來(lái)，隨著材料、電子、微型器件等方面的研究進(jìn)展和三維非定常流動(dòng)機(jī)理研究的深入，產(chǎn)生了將空氣動(dòng)力學(xué)、材料和控制等多個(gè)學(xué)科綜合起來(lái)的先進(jìn)主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)。該技術(shù)在飛行器減阻、增升、提高機(jī)動(dòng)能力、降低噪聲輻射、控制分離和操縱微型飛行器等許多領(lǐng)域都存在著巨大的應(yīng)用潛力，已成為當(dāng)前流動(dòng)控制研究的熱點(diǎn)，但研究成果不多，進(jìn)展緩慢。采用MEMS微致動(dòng)器陣列進(jìn)行流動(dòng)控制，卻開創(chuàng)了主動(dòng)流動(dòng)控制的一條新思路。 本文以MEMS微致動(dòng)器陣列實(shí)現(xiàn)三角翼滾

2、轉(zhuǎn)控制為目標(biāo)，研究了微致動(dòng)器進(jìn)行三角翼宏觀機(jī)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，對(duì)其進(jìn)行了有限元建模和CFD仿真分析，借此實(shí)現(xiàn)了微致動(dòng)器幾何參數(shù)及其陣列排布的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)以及相關(guān)仿真技術(shù)的有效性。結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)中的壁面邊界層控制原理以及三角翼在中等攻角條件下的氣動(dòng)特征，討論了微致動(dòng)器陣列通過(guò)與三角翼前緣邊界層的耦合效應(yīng)和三角翼產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩的機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)微氣泡致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸和排布方式進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，得到了初始模型。根據(jù)微致動(dòng)

3、器工作狀態(tài)下氣泡變形尺寸和形狀，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件GAMBIT建立了微致動(dòng)器陣列-三角翼系統(tǒng)的簡(jiǎn)化實(shí)體模型。選用湍動(dòng)能—耗散率湍流模型，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)致動(dòng)器陣列作用下三角翼流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在不同幾何尺寸不同排布方式的微致動(dòng)器陣列的作用下三角翼滾轉(zhuǎn)力矩變化曲線。據(jù)此，得到了微致動(dòng)器幾何參數(shù)及其陣列排布的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。最后，在低湍流風(fēng)洞進(jìn)行了微致動(dòng)器-三角翼系統(tǒng)的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了致動(dòng)器陣列對(duì)三角翼繞流的操縱能力和控制方案