合成射流激勵(lì)器能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)影響規(guī)律及優(yōu)化研究

王雷，李哲，馮立好

北京航空航天大學(xué) 流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

0 引 言

到2050 年，實(shí)現(xiàn)“凈零碳排放”是世界各國(guó)航空業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。對(duì)于大型飛機(jī)，減小阻力、提高燃油效率是降低碳排放的必然選擇。以美國(guó)C-17 運(yùn)輸機(jī)為例，阻力每降低1%，每年可節(jié)省710 萬(wàn)加侖（約 26876 m3）燃油[1]。流動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要途徑之一。流動(dòng)控制技術(shù)可分為被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)向流場(chǎng)局部注入少量能量，即可改變局部甚至全局流場(chǎng)的自然發(fā)展路徑，具有較高的控制效率[2]。各種形式的激勵(lì)器是主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的核心，其性能制約著流動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[3]。開展激勵(lì)器參數(shù)影響規(guī)律研究、優(yōu)化激勵(lì)器性能，對(duì)于提高流動(dòng)控制效率、拓展流動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

合成射流激勵(lì)器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的激勵(lì)器之一[4-6]，主要通過(guò)周期性吹吸氣誘導(dǎo)產(chǎn)生離散的旋渦結(jié)構(gòu)，對(duì)外部流場(chǎng)施加控制，具有對(duì)外輸出質(zhì)量流量為零、輸出動(dòng)量不為零的特點(diǎn)，因此也被稱為“零質(zhì)量射流激勵(lì)器”。根據(jù)射流產(chǎn)生方式的不同，合成射流激勵(lì)器可分為活塞驅(qū)動(dòng)式[7]、壓電薄膜振動(dòng)式[8]、聲激勵(lì)式[9]和電磁振動(dòng)式[10]等。其中，壓電式合成射流激勵(lì)器主要由壓電膜片和帶有射流出口的腔體組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，相比其他形式的激勵(lì)器，壓電式合成射流激勵(lì)器的射流速度高、頻率高（最大射流速度可達(dá)數(shù)十米至上百米每秒，激勵(lì)頻率可達(dá)數(shù)百至上千赫茲[3]）。基于上述性能優(yōu)勢(shì)，壓電式合成射流激勵(lì)器在抑制流動(dòng)分離[11]、提高傳熱[12]、增強(qiáng)摻混[13]、降低噪聲[14]、控制推力矢量[15]等方面控制效果突出，具有良好的工程應(yīng)用前景。

射流出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率是衡量壓電式合成射流激勵(lì)器性能的重要指標(biāo)。為了提高壓電式合成射流激勵(lì)器的性能，研究人員對(duì)其參數(shù)影響規(guī)律開展了大量研究。Tang 等[8]對(duì)圓形出口合成射流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著出口直徑的減小，射流出口速度峰值先增大，隨后在管道黏性的影響下，速度峰值逐漸減小。Wang 等[16-18]開展了非圓出口合成射流的系列研究，發(fā)現(xiàn)出口形狀對(duì)流場(chǎng)特征影響顯著，非圓出口合成射流能夠極大提高射流出口附近的脈動(dòng)速度峰值。Gomes 和Crowther[19]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腔體和壓電膜片的固有頻率相近時(shí)，壓電式合成射流激勵(lì)器能夠獲得最大的出口速度和能量轉(zhuǎn)換效率；此外，出口速度隨出口深度和腔體高度的增大而減小。Van Buren 等[20]發(fā)現(xiàn)，壓電式合成射流激勵(lì)器的出口速度隨著壓電膜片直徑的增大而增大。Gungordu[21]發(fā)現(xiàn)，在相同激勵(lì)電壓和壓電膜片固有頻率下，雙面驅(qū)動(dòng)壓電膜片產(chǎn)生的中心位移和出口速度均為單面驅(qū)動(dòng)壓電膜片的1.5 倍。經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，雙面驅(qū)動(dòng)壓電膜片產(chǎn)生的最大出口速度峰值達(dá)到92.1 m/s，但對(duì)應(yīng)能量轉(zhuǎn)換效率僅為6.4%；此外，當(dāng)出口速度峰值為57.6 m/s 時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率最大，達(dá)到30.3%。

以上研究表明，通過(guò)優(yōu)化合成射流激勵(lì)器參數(shù)能夠提高激勵(lì)器性能。合成射流激勵(lì)器本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，在追求高動(dòng)量輸出的同時(shí)應(yīng)盡量降低激勵(lì)器能耗。但現(xiàn)有研究對(duì)影響激勵(lì)器能量轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)關(guān)注不足，導(dǎo)致在獲得較高射流出口速度的同時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率普遍較低。

針對(duì)上述問題，本文開展壓電式合成射流激勵(lì)器參數(shù)影響規(guī)律及性能優(yōu)化研究，探索出口長(zhǎng)度、出口深度、腔體高度和陶瓷片厚度等參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律，并通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其最大出口速度和能量轉(zhuǎn)換效率，為研制高動(dòng)量低能耗激勵(lì)器、提升合成射流的控制效率提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 壓電式合成射流激勵(lì)器參數(shù)

本文采用的壓電式合成射流激勵(lì)器（后文簡(jiǎn)稱激勵(lì)器）模型如圖1 所示。激勵(lì)器主要由激勵(lì)器底板、壓電膜片、O 型圈、激勵(lì)器蓋板等部分組成（壓電膜片與激勵(lì)器底板之間的空間構(gòu)成腔體，射流出口位于激勵(lì)器底板一側(cè)）。激勵(lì)器底板和蓋板以光敏樹脂材料經(jīng)3D 打印加工而成，裝配后尺寸為75 mm × 65 mm × 11 mm，腔體直徑Dc=48 mm。壓電膜片由高彈性磷銅片和PZT-5X 壓電陶瓷片貼合而成（銅片直徑?Cu=50 mm，厚度δCu=0.35 mm；陶瓷片直徑?p=40 mm），采用雙面驅(qū)動(dòng)形式。射流出口為矩形，出口寬度ho=1 mm。

圖1 壓電式合成射流激勵(lì)器組成部件及腔體截面示意圖Fig.1 Schematics of components and cavity section of piezoelectricdriven synthetic jet actuator

實(shí)驗(yàn)研究了出口長(zhǎng)度lo、出口深度no、腔體高度hc和陶瓷片厚度δp對(duì)激勵(lì)器性能的影響規(guī)律。銅片厚度對(duì)激勵(lì)器出口速度峰值影響較小，本文未予關(guān)注。根據(jù)已有研究[20]，以出口寬度ho為特征長(zhǎng)度對(duì)各參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化（lo?=lo/ho，n?o=no/ho，h?c=hc/ho，δ?p=δp/ho），表1 列出了各參數(shù)的取值情況。當(dāng)研究某一參數(shù)的影響規(guī)律時(shí)，其余參數(shù)與基準(zhǔn)工況保持一致，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)工況進(jìn)行對(duì)比。

表1 合成射流激勵(lì)器參數(shù)Table 1 Synthetic jet actuator configuration parameters

1.2 激勵(lì)器出口速度及功率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要包括激勵(lì)器能量輸入模塊和激勵(lì)器性能測(cè)量模塊兩部分，由AFG1062 信號(hào)發(fā)生器、ATA-214 電壓放大器（電壓增益：0～100 倍可調(diào)，最大輸出電壓峰-峰值Up-p：400 V，電流：300 mA）、SDS1102X+數(shù)字示波器、TH3431 電子功率計(jì)、壓電式合成射流激勵(lì)器、熱線探針、航華CTA-02A 熱線風(fēng)速儀、NI USB-6259 數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)等組成，如圖2 所示，其中P(t)為瞬時(shí)功率，u(t)為瞬時(shí)出口速度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生具有一定幅值和頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)電壓放大器放大后，輸入到壓電式合成射流激勵(lì)器。信號(hào)發(fā)生器和電壓放大器分別調(diào)節(jié)激勵(lì)器的頻率f和電壓峰-峰值Up-p。壓電膜片在一定電信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生特定的振動(dòng)或變形，擠壓腔體內(nèi)空氣，在出口形成合成射流。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Experimental measurement system

在激勵(lì)器工作期間，利用數(shù)字示波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證輸入波形不失真且幅值不過(guò)載。利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量激勵(lì)器瞬時(shí)出口速度u(t)，熱線探針通過(guò)三軸位移臺(tái)調(diào)整至矩形出口長(zhǎng)軸所在平面，采樣頻率為20 kHz，采樣時(shí)間為10 s。測(cè)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡采集儲(chǔ)存，并通過(guò)數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。此外，利用電子功率計(jì)同步記錄激勵(lì)器的瞬時(shí)功率P(t)，采樣頻率為5 Hz，采樣時(shí)間為10 s。取功率穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間平均，得到對(duì)應(yīng)激勵(lì)條件下的激勵(lì)器平均功率。

圖3 展示了某一激勵(lì)條件下，利用熱線獲得的基準(zhǔn)工況射流出口處不同流向位置瞬時(shí)速度隨時(shí)間t 的變化，x?為用出口寬度無(wú)量綱化的流向坐標(biāo)（x?=x/ho）。結(jié)果顯示，射流出口速度表現(xiàn)出較好的周期性，每周期（1.6 ms）內(nèi)存在2 個(gè)峰值，分別為吹程和吸程階段的速度峰值，注意實(shí)際吸程速度為對(duì)應(yīng)數(shù)值的負(fù)值。激勵(lì)器出口具有一定深度，在吸程階段，出口深度會(huì)導(dǎo)致對(duì)出口周圍流體吸入強(qiáng)度顯著減弱，且距離出口越遠(yuǎn)，吸入強(qiáng)度越弱，因此，測(cè)得的吸程速度峰值小于吹程速度峰值。通過(guò)提取每個(gè)周期內(nèi)出口速度的最大值并進(jìn)行時(shí)間平均，得到圖3 激勵(lì)條件下的出口速度峰值=74 m/s。

圖3 基準(zhǔn)工況射流出口不同流向位置瞬時(shí)速度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of instantaneous velocity at different streamwise locations from the exit of the baseline actuator

1.3 激勵(lì)器能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算

本文采用與已有研究[14,20-23]相同的方法計(jì)算激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率：

Wjet為射流總動(dòng)能，可表示為：

式中：τ為射流噴出的持續(xù)時(shí)間，在本實(shí)驗(yàn)中為10 s；為激勵(lì)器出口的質(zhì)量流率，=ρa(bǔ)lohou(t)，ρa(bǔ)為空氣密度。

Win為激勵(lì)器消耗的電能，可對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行積分得到：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基準(zhǔn)工況特性

對(duì)基準(zhǔn)工況的激勵(lì)器特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果如圖4 所示：激勵(lì)器出口速度峰值呈現(xiàn)出雙峰頻率特征（圖4（a）），分別對(duì)應(yīng)了壓電膜片的固有頻率fD（620 Hz）和亥姆霍茲頻率fH（1060 Hz）。

圖4 基準(zhǔn)工況的激勵(lì)器特性Fig.4 Characteristics of the baseline actuator

亥姆霍茲頻率主要由激勵(lì)器幾何構(gòu)型參數(shù)決定，表示為[22,24]：

式中：c 為聲速。將基準(zhǔn)工況的參數(shù)代入式（4），得到fH=1 039Hz，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第2 個(gè)峰值1060 Hz接近。

壓電膜片的固有頻率與壓電膜片的物理性質(zhì)和固定方式相關(guān)，可通過(guò)以下公式[24]進(jìn)行估計(jì)：

式中：δD、R、E、ρD、ε分別為壓電膜片的厚度、半徑、彈性模量、密度、泊松比；ξ為經(jīng)驗(yàn)衰減因子（ξ=0.06）；k2為無(wú)量綱頻率參數(shù)，與壓電膜片的固定狀態(tài)相關(guān)（簡(jiǎn)支狀態(tài)k2=4，固支狀態(tài)k2=10）。本實(shí)驗(yàn)壓電膜片由磷銅片和壓電陶瓷貼合而成，對(duì)于磷銅片（E=89 Gpa，ρD=8 900 kg/m3，ε=0.35），根據(jù)式（5）計(jì)算得到fD=815 Hz；對(duì)于壓電陶瓷（E=63Gpa，ρD=7 600 kg/m3，ε=0.3），根據(jù)式（5）計(jì)算得到fD=488 Hz。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第1 個(gè)峰值620 Hz 位于這2 個(gè)頻率之間，因此對(duì)應(yīng)了壓電膜片的固有頻率。由于激勵(lì)器在固有頻率下產(chǎn)生了最大的出口速度峰值，因此選擇該頻率作為衡量激勵(lì)器性能的最佳激勵(lì)頻率，后文分析采用同樣的思路。

結(jié)合圖4（b）～（d）可以發(fā)現(xiàn)：在最佳激勵(lì)頻率下，隨著電壓增大，激勵(lì)器出口速度峰值近似呈線性增長(zhǎng)，消耗的平均功率逐漸增大，但對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率逐漸降低。這表明當(dāng)激勵(lì)器出口速度較大時(shí)，輸入激勵(lì)器的電能只有少部分轉(zhuǎn)化為射流的動(dòng)能，大部分能量由于激勵(lì)器溫度和壓電膜片振動(dòng)噪聲升高，轉(zhuǎn)化為熱能和聲能。針對(duì)該問題，本文通過(guò)優(yōu)化激勵(lì)器參數(shù)組合，在提高激勵(lì)器出口速度的同時(shí)，改善激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率，降低其能量損失。

2.2 激勵(lì)器參數(shù)影響規(guī)律

2.2.1 出口長(zhǎng)度

圖5 展示了不同出口長(zhǎng)度的激勵(lì)器出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率隨平均功率的變化。當(dāng)輸入平均功率相同時(shí)，隨著出口長(zhǎng)度增大，出口截面積增大，出口速度減小；能量轉(zhuǎn)換效率隨出口長(zhǎng)度增大而增大，且增大幅值明顯大于出口速度的減小幅值。例如，在平均功率約3.2 W 時(shí)，lo?=25工況下的能量轉(zhuǎn)換效率相比lo?=10提高了107.4%，但出口速度峰值僅減小了4.7%。這是由于，在出口速度減小的同時(shí)，較大的出口截面積增大了質(zhì)量流量，且后者增大的速率高于前者減小的速率。在較大的平均功率下，lo?=20和lo?=25工況的出口速度峰值接近，但lo?=25工況明顯具有更大的能量轉(zhuǎn)換效率，因此，選取l?o=25作為優(yōu)化激勵(lì)器的出口長(zhǎng)度。

圖5 不同出口長(zhǎng)度的激勵(lì)器特性Fig.5 Characteristics of the actuators with different orifice lengths

2.2.2 出口深度

出口深度對(duì)激勵(lì)器性能的影響規(guī)律如圖6 所示?？傮w上，相同平均功率下出口深度對(duì)出口速度峰值的影響并不顯著。但是，n?o=12.5工況的出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均大于其他工況。已有研究[19,23]表明：當(dāng)出口深度較小時(shí)，空氣在射流出口內(nèi)部產(chǎn)生流動(dòng)分離，不足以維持附著流動(dòng)，使得出口速度減?。浑S著出口深度增大，在出口收縮效應(yīng)作用下，射流速度提高；當(dāng)出口深度較大時(shí)，在管道黏性影響下，出口速度減小。因此，存在一個(gè)最優(yōu)出口深度，使得出口速度峰值及能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最優(yōu)。在本文研究中，選取n?o=12.5作為優(yōu)化激勵(lì)器的出口深度。

圖6 不同出口深度的激勵(lì)器特性Fig.6 Characteristics of the actuators with different orifice neck lengths

2.2.3 腔體高度

腔體高度對(duì)激勵(lì)器性能的影響規(guī)律如圖7 所示。當(dāng)輸入平均功率相同時(shí)，隨著腔體高度增大，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均增大。值得注意的是，壓電式合成射流激勵(lì)器出口速度峰值隨腔體高度的變化規(guī)律與腔體高度的大小相關(guān)。Lockerby 和Carpenter[25]建立了圓形出口壓電式合成射流激勵(lì)器的可壓縮計(jì)算模型，研究了出口速度峰值隨腔體高度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔體高度在一定范圍內(nèi)時(shí)，出口速度峰值隨腔體高度增大而增大，隨后出口速度峰值隨腔體高度增大而減小，即存在一個(gè)最優(yōu)腔體高度使得出口速度峰值達(dá)到最大。

圖7 不同腔體高度的激勵(lì)器特性Fig.7 Characteristics of the actuators with different cavity heights

Gomes 和Crowther[19]、Van Buren[20]、Rizzetta[26]和Mane[27]等分別研究了腔體高度對(duì)激勵(lì)器出口速度峰值的影響。匯總相關(guān)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腔體高度明顯小于出口直徑（對(duì)于矩形出口，出口直徑為等效圓直徑De）時(shí)，出口速度峰值隨腔體高度增大而增大；當(dāng)腔體高度大于出口直徑時(shí)，出口速度峰值隨腔體高度增大而減小，這與Lockerby 和Carpenter[25]發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。本文的壓電式合成射流激勵(lì)器腔體高度明顯小于出口直徑（hc/De=0.30～0.50），因此，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率隨腔體高度增大而增大。本文選取h?c=2.5作為優(yōu)化激勵(lì)器的腔體高度。

2.2.4 陶瓷片厚度

陶瓷片厚度對(duì)激勵(lì)器性能的影響規(guī)律如圖8所示。在相同平均功率下，隨著陶瓷片厚度減小，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均增大，同時(shí)激勵(lì)器所能承受的最大平均功率增大。這是因?yàn)殡S著厚度減小，陶瓷片的彎曲性能增強(qiáng)，使得壓電膜片的振幅增大，從而提高了腔體內(nèi)空氣壓縮的體積變化率，導(dǎo)致出口速度和能量轉(zhuǎn)換效率提高。此外，Van Buren[20]、Chen[28]和鄧雄[29]等的研究均表明，隨著陶瓷片厚度增大，剛度增大，導(dǎo)致激勵(lì)器出口速度峰值減小。因此，選取δ?p=0.15作為優(yōu)化激勵(lì)器的陶瓷片厚度。

圖8 不同陶瓷片厚度的激勵(lì)器特性Fig.8 Characteristics of the actuators with different piezoceramics thicknesses

圖9 統(tǒng)計(jì)了上述不同參數(shù)的激勵(lì)器出口速度峰值隨平均功率的變化，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合，如紅色實(shí)線所示。結(jié)果顯示，所有工況的出口速度峰值隨平均功率變化的趨勢(shì)相似，即隨著平均功率的增大，出口速度峰值先迅速增大隨后逐漸趨于穩(wěn)定。這表明激勵(lì)器出口速度峰值與平均功率的關(guān)系對(duì)激勵(lì)器參數(shù)并不敏感。

圖9 不同參數(shù)的激勵(lì)器出口速度峰值隨平均功率變化Fig.9 Exit peak velocity versus power for actuators with different configuration parameters

2.3 激勵(lì)器性能優(yōu)化

基于上述參數(shù)影響規(guī)律對(duì)激勵(lì)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的參數(shù)組合方案如表2 所示。優(yōu)化后的激勵(lì)器特性如圖10 所示，并與基準(zhǔn)工況進(jìn)行了對(duì)比。在所有測(cè)量電壓下，優(yōu)化工況的出口速度峰值均大于基準(zhǔn)工況（提升了9.0%～15.3%）。此外，當(dāng)=2 W時(shí)，基準(zhǔn)工況和優(yōu)化工況的出口速度峰值均約為67 m/s，但是優(yōu)化工況的能量轉(zhuǎn)換效率比基準(zhǔn)工況提升了23.5%；當(dāng)基準(zhǔn)工況和優(yōu)化工況消耗的平均功率達(dá)到最大時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率均在22%左右，但是優(yōu)化工況的出口速度峰值達(dá)到了93.0 m/s，比基準(zhǔn)工況提升了9.3%。以上結(jié)果表明：經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，激勵(lì)器性能獲得了明顯改善，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均得到了提升。

表2 合成射流激勵(lì)器優(yōu)化后的參數(shù)Table 2 Optimized synthetic jet actuator configuration parameters

圖10 優(yōu)化工況的激勵(lì)器特性Fig.10 Characteristics of the optimized actuator

圖11 為本文優(yōu)化激勵(lì)器的性能與已有研究結(jié)果[14,20-22]的對(duì)比。可以看到，激勵(lì)器的出口速度與能量轉(zhuǎn)換效率負(fù)相關(guān)。本文優(yōu)化后的激勵(lì)器相比已有同類型的激勵(lì)器具有更高的能量利用率。例如，與Gungordu[21]出口速度峰值最大工況相比，能量轉(zhuǎn)換效率提升了233.3%；與其能量轉(zhuǎn)換效率最大工況相比，出口速度峰值提升了42.2%。與Crowther 和Comes[22]能量轉(zhuǎn)換效率最大工況相比，在略增大出口速度峰值的同時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率提升了163.8%。需要指出的是，Van Buren 等[20]與Crowther 和Comes[22]的激勵(lì)器最大出口速度峰值超過(guò)了120 m/s，本文在測(cè)量的電壓范圍內(nèi)并未達(dá)到該水平。為了進(jìn)一步提高激勵(lì)器的出口速度，需要開展更深入的研究。但是，在較高出口速度下，激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率顯著偏低，這對(duì)提高激勵(lì)器的能量利用率提出了更大的挑戰(zhàn)。

圖11 本文優(yōu)化的激勵(lì)器性能與已有研究結(jié)果[14,20-22]對(duì)比Fig.11 Comparison of performance between the present optimized actuator and previous ones[14,20-22]

3 結(jié) 論

為提高壓電式合成射流激勵(lì)器性能，本文開展了激勵(lì)器出口長(zhǎng)度、出口深度、腔體高度和陶瓷片厚度對(duì)出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律研究，得到結(jié)論如下：

對(duì)于本文的激勵(lì)器構(gòu)型，當(dāng)輸入平均功率相同時(shí)：1）隨著出口長(zhǎng)度增大，出口速度峰值減小，能量轉(zhuǎn)換效率增大；2）存在一個(gè)出口深度的最優(yōu)值，使得出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大；3）本文的腔體高度（腔體高度顯著小于射流出口等效直徑）范圍內(nèi)，隨著腔體高度增大，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均增大；4）隨著陶瓷片厚度增大，出口速度峰值和能量轉(zhuǎn)換效率均減小。

特別地，本文發(fā)現(xiàn)對(duì)于上述不同參數(shù)，激勵(lì)器出口速度峰值隨平均功率的變化趨勢(shì)相似，并得到了相應(yīng)的擬合曲線。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)組合，提高了激勵(lì)器出口速度峰值，優(yōu)化工況的出口速度峰值達(dá)到93.0 m/s，比基準(zhǔn)工況提升了9.3%。此外，與已有研究結(jié)果相比，本文優(yōu)化的激勵(lì)器有效提升了能量轉(zhuǎn)換效率（最大提升了233.3%），具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。