本發(fā)明涉及能源動力，具體為基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法。

背景技術：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

2、雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動，指流體在狹小空間流動時，在coanda效應(康達效應)作用下，出口流動偏向一側壁面穩(wěn)定附著，且在某種機制激勵下，切換至另一壁面重新附著。這種“附著-切換-再附著”的模式使雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動具有類比電路開關和振蕩電路的性能，因此，常被用來制備開關旋渦閥以及流動振蕩器等器件，能夠在流動分離、減阻降噪、燃燒控制、傳感設備等領域得到廣泛應用。

3、基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動的特性，實現(xiàn)流動附壁切換的主要方法分為被動控制和主動控制。

4、被動控制，是依靠系統(tǒng)結構處理實現(xiàn)的切換控制，無需提供外加能源，大部分為為背壓切換，其優(yōu)點是無運動部件，能耗低，但振蕩頻率不能與流量解耦，降低了精確度。而主動控制通過引入外加信號控制流體，如電信號、聲信號、等離子信號和壓電信號等方式，它們大多作用于壓力較低的噴嘴出口，雖然需要消耗額外的能量，但其精度高和靈活性強，被廣泛應用于流體振蕩器、流體閥門的設計。

5、以上控制方式往往針對大尺度的器件，對于微小尺度的器件，目前的控制方式效果不理想，難以可靠的滿足需求。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術中存在的技術問題，本發(fā)明提供基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，利用溫度實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換控制，并根據流體參數(shù)得到控制元件的結構，適應小尺度器件，并且豐富了原有調控手段，使雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動不僅在流動控制領域獲得應用，更拓展了其在熱學領域中的應用前景。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、本發(fā)明的第一個方面提供基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、確定狹縫寬度，并根據流體到達狹縫時的流速、流體距狹縫入口的距離、流體的運動粘度系數(shù)得到流動邊界層位移厚度；

5、當流體在流動邊界層內的位移達到最大且位移厚度不再變化時，流場由入口段發(fā)展至充分發(fā)展段，入口段的長度為控制元件的狹縫最短加熱距離；

6、根據流體的中心流線在附壁時與壁面形成夾角，附壁傾角、狹縫寬度和出流通道的寬度，確定控制元件的分流劈距和分流劈張角。

7、流體的運動粘度系數(shù)為流體動力粘度與流體密度的比值，流體動力粘度跟隨溫度發(fā)生變化。

8、根據狹縫內流體的流動方程得到的速度分布，確定流體在流動邊界層內的位移達到最大且位移厚度不再變化的狀態(tài)。

9、速度分布。如下式所示：

10、

11、式中，μ(t)是x處的局部流體動力粘度，μ(t1)和μ(t2)分別是溫度為t1和t2的兩壁面動力粘度；h為狹縫中心距壁面的距離，狹縫寬度為2h；dp/dx為沿x方向的壓力梯度，表面狹縫內流動為壓力驅動。

12、流場進入充分發(fā)展段時，根據流體與主流匯合處確定的流體最大流速，和流動邊界層位移厚度的變化，確定最大流速沿y方向偏移的位置，y方向與狹縫內流體流動方向相垂直。

13、根據流動邊界層位移厚度和最大流速沿y方向偏移的位置確定狹縫最短加熱距離。

14、控制元件的位差高度為零，流體從狹縫流出不形成射流沖擊。

15、流體的中心流線在附壁時與壁面形成夾角θ，附壁傾角α、狹縫寬度2h和偏轉半徑r滿足下式：

16、

17、附壁傾角α的角度范圍為7°～55°，分流劈張角為2α。

18、根據選取的附壁傾角確定得出偏轉半徑r的數(shù)值。

19、分流劈距h為分流劈頂端到狹縫出口的距離，如下式所示：

20、

21、式中，l為出流通道的寬度，r為偏轉半徑，α為附壁傾角，θ為流體的中心流線在附壁時與壁面形成夾角。

22、與現(xiàn)有技術相比，以上一個或多個技術方案存在以下有益效果：

23、1、優(yōu)化后的控制元件能夠利用溫度來響應流體偏轉方向的切換控制，實現(xiàn)基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動的溫控開關功能，并且該功能針對微小尺度下的器件進行設計。

24、2、適應小尺度器件的同時，豐富了原有調控手段，使雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動不僅在流動控制領域獲得應用，更拓展了其在熱學領域中的應用前景，基于溫度響應機制和流動偏轉特性，使其可以用于熱調控器件、熱傳感器件、熱探測器件和熱邏輯器件的設計與加工。

技術特征：

1.基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，所述流體的運動粘度系數(shù)為流體動力粘度與流體密度的比值，流體動力粘度跟隨溫度發(fā)生變化。

3.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，根據狹縫內流體的流動方程得到的速度分布，確定流體在流動邊界層內的位移達到最大且位移厚度不再變化的狀態(tài)。

4.如權利要求3所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，所述速度分布，如下式所示：

5.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，流場進入充分發(fā)展段時，根據流體與主流匯合處確定的流體最大流速，和流動邊界層位移厚度的變化，確定最大流速沿y方向偏移的位置，y方向與狹縫內流體流動方向相垂直。

6.如權利要求4所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，根據流動邊界層位移厚度和最大流速沿y方向偏移的位置確定狹縫最短加熱距離。

7.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，控制元件的位差高度為零，流體從狹縫流出不形成射流沖擊。

8.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，流體的中心流線在附壁時與壁面形成夾角θ，附壁傾角α、狹縫寬度2h和偏轉半徑r滿足下式：

9.如權利要求8所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，附壁傾角α的角度范圍為7°～55°，分流劈張角為2α，根據選取的附壁傾角得出偏轉半徑r的數(shù)值。

10.如權利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，其特征在于，分流劈距h為分流劈頂端到狹縫出口的距離，如下式所示：

技術總結
本發(fā)明涉及基于雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換的控制元件優(yōu)化方法，包括以下步驟：確定狹縫寬度，并根據流體到達狹縫時的流速、流體距狹縫入口的距離、流體的運動粘度系數(shù)得到流動邊界層位移厚度；當流體在流動邊界層內的位移達到最大且位移厚度不再變化時，流場由入口段發(fā)展至充分發(fā)展段，入口段的長度為控制元件的狹縫最短加熱距離；根據流體的中心流線在附壁時與壁面形成夾角，附壁傾角、狹縫寬度和出流通道的寬度，確定控制元件的分流劈距和分流劈張角。利用溫度實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)狹縫流動切換控制，并根據流體參數(shù)得到控制元件的結構，適應小尺度器件，豐富了原有調控手段。

技術研發(fā)人員：杜婷婷,呂月霞,聶華成
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2