基于MEMS微致动器的碟翼流动控制研究

【摘要】：MEMS微致动器是MEMS功能实现的关键部分,是目前微机电系统研究的热点。将MEMS微致动器组合成阵列形式,以控制机翼的边界层流动是目前MEMS技术在航空领域的主要发展方向之一。 本文以用于控制碟翼边界层流动的电磁式微致动器为研究对象,结合空气动力学和边界层理论分析研究了碟翼的基本气动特性,确定碟翼边界层分离位置,制定出合适的微致动器致动方案。提出一种采用悬臂梁结构的电磁式微致动器,对致动器的结构优化设计、加工工艺等一系列关键技术进行了研究。最后进行数值模拟和仿真对设计方案进行验证。主要研究内容有: 1.研究低雷诺数下碟翼的空气动力学性能,分析翼形各参数对其气动性能的影响,确定碟翼边界层分离位置。 2.提出了采用悬臂梁结构的电磁式微致动器,对电磁式微致动器的主要结构(悬臂梁、平面线圈和磁体镀层)进行了设计。 3.建立了平面线圈磁场的数学模型,推导出电磁式微致动器悬臂梁的变形与致动器各个参数之间的关系,并进行参数匹配。利用有限元仿真软件对悬臂梁的变形进行模拟,验证设计的合理性。 4.结合MEMS的表面加工和体加工等工艺方法,设计了微致动器中悬臂梁和平面线圈结构的工艺流程。 5.提出微致动器扰动方案,详细讨论了微致动器阵列通过与前缘边界层的耦合产生碟翼翻滚、俯仰和偏航等力矩的机理。针对采用致动器扰动方案的碟翼进行数值仿真,证明了利用电磁式微致动器对碟翼的边界层控制是有效可行的。