压电式微型合成射流器结构参数优化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252011V01．32No．91755—1760ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)09—1755—06压电式微型合成射流器结构参数优化设计沈丹东，马炳和*，邓进军，苑伟政西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室，陕西西安710072摘要：压电式微型合成射流器的结构参数对射流速度有极大影响。然而各结构参数的影响规律及程度无法用单因

2、素考查法来确定。针对这个问题，采用正交分析法结合多域耦合数值模拟。研究了主要结构参数对射流速度的综合影响，对器件结构参数进行了优化。仿真结果表明：在所考查的参数范围内，喷口宽度、腔体宽度、压电片厚度对射流速度的影响较大，但三者的影响程度依次降低；射流速度随喷口宽度、压电片厚度的增大而减小，随腔体宽度的增大而增大；压电片宽度对射流速度影响很小。在此基础上，采用微机电系统(MEMS)加工工艺制作了压电式微型合成射流器，测得器件能承受的最大激励电压为30V，最大射流速度为10m／s，最佳工作频率为10kHz。关键词：微机电系统；微型合成射流器；正交分

3、析法；多域耦合数值模拟法；结构参数优化中图分类号：V261．9；TP61；0354文献标识码：A合成射流器(SyntheticJetActuator)在飞行器主动流动控制技术领域具有广阔的应用前景n{]，已发展成为该领域的研究热点。文献[43阐述了各种常规加工技术制造的合成射流器结构及性能参数，这些合成射流器由于体积、重量较大(器件外形尺寸为数厘米)，工作频率较低(为数百至上千赫兹)，限制了其在飞行器上的实际应用。基于微机电系统(MEMS)技术的微型合成射流器以其微型化、集成化、批量化制造等优点，在飞行器增升减阻、边界层分离控制等主动流动控制方

4、面具有独特优势f5]。MEMS加工技术可大大缩小合成射流器的体积和重量、降低器件功耗、提高器件工作频率和响应速度，使其在飞行器上的实际应用成为可能。与其他驱动方式相比，压电式微型合成射流器具有结构简单、工作频带宽、响应速度快等特点。所以，对压电式微型合成射流器的研究具有重要意义。典型压电式微型合成射流器结构主要由腔体、喷口、在弹性膜片上贴附压电片形成的振动膜片3部分组成。压电片在周期性电信号激励下带动弹性膜片振动，使腔体内气体从喷口喷出形成射流，该射流可通过旋涡结构的耦合对飞行器环境流体输入能量，使飞行器环境流体的流动特性得到有效改变，从而改善

5、气动性能。射流速度是影响合成射流器主动流动控制效果的主要性能指标，射流速度越高，流动控制效果越显著[6]。器件的结构参数与电激励参数对射流速度有极大影响。其中，结构参数对射流速度的影响如下：①喷口和腔体的尺寸对射流形成、发展有影响[7]。②射流器振动膜片的谐振频率与器件的亥姆霍兹频率的匹配程度影响射流速度。谐振频率由压电片和弹性膜片的尺寸确定；亥姆霍兹频率由喷口和腔体的尺寸确定[8]。③压电片和弹性膜片的尺寸影响振动膜片的振幅，从而影响射收稿日期：2010．12．10；退修日期：2011—01—07；录用日期：2011-02-21；网络出版时间

6、：20”-02-2516：54：33网络出版地址：v州w．enkinet／kcms／detail／11．1929V201102251654．001．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110225．1654．001基金项目：国家自然科学摹金(50775188)；上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室开放基金*通讯作者．Tel．：029．88492847E—mail：mabh@nwpu．edu．cn萼l餍撂武l沈丹衷。马炳和．邓进军。等．压电武镁垄合成射流嚣结构参礅优化设计EJI．航空学撮。201I．32(9)：1755-1760

7、．ShenDan-dong．MaBinghe。DengJinjun·eta1．StructuralparametersoptimizationofpiezoelectricmicrosyntheticjetactuatorsLJj，ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，20¨，32(9)}1755-1760，航空学报8ep．252011V01．32No．9流速度凹]。电激励参数对射流速度也有影响。当电激励频率与射流器振动膜片的谐振频率相近时，射流速度较大[1叩；在可承受范围内，激励电压幅值越大，射流速度越大。结

8、构参数与电激励参数一起综合影响射流速度，而电激励参数也需要与结构参数耦合匹配。所以，对结构参数进行优化设计是提高射流速度及合成射流器主动流动控制效果的