可压缩气体合成射流微喷优化设计

 丁英涛，刘汝卿，李博

（北京理工大学 信息与电子学院，北京１０００８１）

结果表明，在可压缩模型下，合成射流微喷的频率特性仿真结果与理论计算结果较吻合，验证了其在可压缩气体模型下仿真的必要性；同时，对任一给定的合成射流微喷，驱动频率和喷口宽度存在最优值．

近年来，随着微机电系统（ＭＥＭＳ）技术的迅速发展，各种微小型传感器和执行器等ＭＥＭＳ器件在国防、医学、电子等领域迅速发展，并得到了广泛的应用．流体的主动流动控制问题就是ＭＥＭＳ技术的一个较大分支［１］．目前，已经研制和开发出不同形式的微型流体控制器件，如合成微喷、微型泵、微型阀等．其中，合成射流微喷由于具有结构简单、造价低、易于控制等优点成为了近１０年来研究最为活跃的主动流动控制技术［２］．其基本原理如图１所示：往复振动的移动边界使封闭腔体内的压力周期性变化，当压力为正时，连续涡环从腔体上方的喷口处产生，进入到周围流体中；当压力为负时，喷口周围的流体进入到腔体中，如此循环就形成了宏观上的连续喷．图中：ｖ是喷口中心线速度；Ｄ是喷口直径；δ是压电膜振动的峰峰值．

合成射流技术虽然起步较晚，但发展迅速，国外先后从实验、数值模拟和理论分析等方面进行了大量的研究．就数值模拟方面而言：１９９８年Ｃａｉｎ等［３］首次通过忽略合成射流激励器腔的特性，对其外部射流场进行了二维可压缩气体数值模拟．２００１年Ｍｉｔｔａｌ等［４］采用不可压Ｎ－Ｓ方程，并将振动膜看作是动边界，对激励器腔内的流动进行了数值模拟．２００３年Ｕｔｔｕｒｋａｒ等［５］建立了包括合成射流激励器振动膜在内的整体模型，并通过采用笛卡尔网格仿真方法，在气体不可压缩条件下，对合成射流进行了数值模拟．国内对合成射流的数值模拟研究也已经取得了一定的原理性研究成果：清华大学罗小兵等［６］、西北工业大学何高让等［７］、高峰等［８］以及国防科技大学罗振兵等［９］分别对合成射流的机理及外流场进行了二维不可压缩数值模拟，并对合成射流的影响参数进行了分析．　

可以看出，国内外学者通过数值模拟的方法，多数集中在不可压缩气体模型下，对合成射流微喷进行了研究，尤其国内对合成射流在可压缩气体模型下的研究基本为空白．

事实上，可压缩是气体的本质属性，且随着气流速度 的 增 大，气 体 的 可 压 缩 性 会 表 现 得 越 来 越明显［１０］．

因此，本文借助Ｆｌｕｅｎｔ软件，采用动网格模拟振动边界条件，对合成射流激励器腔及外部流场进行二维、非定常、可压缩模型数值模拟，将计算结果与已有的理论分析结果［１１］进行了对比．同时，还就影响合成射流性能的激励器关键参数在可压缩模型下进行数值模拟，得到了合成射流微喷更加全面的参数仿真结果，为合成射流微喷的实际加工设计提供了参考依据．