專利名稱：控制邊界層和其他壁面邊界處流體流場(chǎng)中湍流的方法及其所用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制邊界層和其他壁面邊界處流體流場(chǎng)中湍流的方法及其所用裝置。
相關(guān)出版物(1)“Plane Waves and Structures in TurbulentChannel Flow”，作者L.Sirovich，k.S.Ball和L.R.Keefe，Phys.Fluids A2(12)，1990年12月，2217-2226頁。
(2)“Propagating Structures in Wall-BoundedTurbulent Flow”，作者L.Sirovich，K.S.Ball和R.A.Handler，Theoret.Comput.Fluid Dynamics(1991)，2307-317。
按照經(jīng)典流體力學(xué)的觀點(diǎn)，湍流被認(rèn)為是在所有可能的自由度上激發(fā)的無序狀態(tài)。從對(duì)宏觀現(xiàn)象，諸如大氣中的氣象流譜，管邊中的水流的直接觀察到日常生活經(jīng)驗(yàn)，如將奶油攪拌到咖啡中或混合油漆都支持這種觀點(diǎn)。
湍流既有害又有益，它對(duì)汽車或飛機(jī)產(chǎn)生不希望有的阻力；但它也能促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料與空氣的混合，或加速房間中熱的分布。湍流對(duì)人類活動(dòng)具有巨大的影響，但是直到近幾年認(rèn)為湍流是一種無序狀態(tài)的觀點(diǎn)阻礙了對(duì)這種現(xiàn)象的科學(xué)分析。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的問世，已能夠?qū)Ρ诿孢吔缤牧鬟M(jìn)行工作量浩大的計(jì)算、和進(jìn)行先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)在對(duì)湍流的認(rèn)識(shí)已產(chǎn)生了驚人的變化。過去曾經(jīng)被認(rèn)為是一種無序狀態(tài)的湍流，現(xiàn)在被認(rèn)為是表面無序中間的具有相干波譜的運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于壁面或邊界層處流動(dòng)的湍流，例如機(jī)翼上的氣流，或管道中液流的深入研究表明在壁面附近存在具有一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的順流旋流圈形式的相干結(jié)構(gòu)，但它們位于外沿和次層以外。這些旋圈有時(shí)被稱作旋渦條紋，在其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中顯示出大量的紋波和變化。特別重要的是它們的突然扭曲或絞結(jié)，導(dǎo)致低速運(yùn)動(dòng)的流體從壁面處突然噴入快速運(yùn)動(dòng)的流體主流中。這種噴發(fā)在壁面上產(chǎn)生一種凈阻力。已經(jīng)估算出，這些能在壁面上產(chǎn)生80％阻力的噴發(fā)，只出現(xiàn)在大約20％的時(shí)間。對(duì)于這種湍流流譜的研究還表明，對(duì)所有壁面邊界湍流都典型存在的是這些旋流圈經(jīng)過立體相干波形短暫變化的影響而產(chǎn)生扭曲。
為了精確測(cè)定旋渦條紋的寬度，首先必須理解條紋是與壁面鄰近的次層外流體的局部狀態(tài)的體現(xiàn)，而不是壁面的性質(zhì)，也不是遠(yuǎn)離壁面的流場(chǎng)的性質(zhì)。局部狀態(tài)完全可以用在壁面上的平均摩擦應(yīng)力S，流體密度上γ，和流體的粘滯度m來表示。這些量定義了一個(gè)局部空間尺度，或長(zhǎng)度驚訝l*，其通常被稱作一個(gè)壁單位等于m/(sr)1/2。占優(yōu)勢(shì)的旋流圈直徑通常為每對(duì)50到100壁單位，或1001*到2001*。
術(shù)語“占優(yōu)勢(shì)的”，就旋渦直徑而言，意味著湍流能量的絕大部分(或是波動(dòng)速度的絕大部分)存在于這一尺度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模式中。此外，同一類旋流圖的其他模式具有一定的尺度范圍并且也包含大量的湍流能量。簡(jiǎn)言之，由于這些旋流圈波模有序度的散亂而在壁面上造成阻力的主要作用是導(dǎo)致這些旋渦的扭曲，最終導(dǎo)致使慢速運(yùn)動(dòng)流體混合進(jìn)較快速運(yùn)動(dòng)流體中的相對(duì)劇烈的噴發(fā)現(xiàn)象。
隨著發(fā)現(xiàn)在湍流壁面區(qū)域還存在傳播結(jié)構(gòu)，對(duì)于在壁面邊界湍流中發(fā)生的現(xiàn)象有了深刻的理解。在上面引用的參考文獻(xiàn)(1)中，指出傳播結(jié)構(gòu)是以恒定波群速傳播的相干波譜。根據(jù)上述的參考文獻(xiàn)(2)，進(jìn)一步肯定了傳播波模的存在。此外，經(jīng)檢索得到的一篇20年前寫的論文涉及壁面湍流的實(shí)驗(yàn)，這篇文獻(xiàn)雖然沒有直接說明，但暗示了在湍流中這種傳播波模的存在和所起的作用。
如上述兩份文獻(xiàn)所論證的，傳播波模是噴發(fā)現(xiàn)象的激勵(lì)源，正是噴發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致了存在于壁面湍流的阻力產(chǎn)生現(xiàn)象。盡管傳播模式本身只攜帶很少的能量，但是除非存在傳播波模否則不會(huì)產(chǎn)生噴發(fā)。此外，對(duì)噴發(fā)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)上和數(shù)字測(cè)量的時(shí)間過程對(duì)應(yīng)于對(duì)傳播波模的測(cè)量過程。能量最高的，因而也是最重要的傳播模式是那些與流動(dòng)方向成65°角的傳播波模；在50-80°范圍的那些傳播模式含有傳播模式的大部分能量。
激勵(lì)模式的波長(zhǎng)也是一個(gè)重要的因素。這些波長(zhǎng)的波在噴發(fā)現(xiàn)象中起著比旋渦尺度更重的作用。
最重要的激勵(lì)波模與能量承載旋渦波模的波長(zhǎng)相比具有一橫向延展分量。這顯然表明通過激勵(lì)作用使旋渦波模易于噴發(fā)的共振機(jī)制的存在。為了易于說明，主要的激勵(lì)波模有時(shí)稱之為長(zhǎng)波波模。并不存在顯著長(zhǎng)的長(zhǎng)波波模，但存在許多短波波模。
所以本發(fā)明的目的是提供一種通過改變激勵(lì)波模從而改變和控制湍流的方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種控制邊界層或其他壁面邊界流體流場(chǎng)中湍流的方法，流場(chǎng)具有一個(gè)湍流壁區(qū)域，其特征在于呈現(xiàn)條紋的一旋圈偶系統(tǒng)，其直徑與流強(qiáng)具有一定的函數(shù)關(guān)系，并沿流動(dòng)方向延展，和在于具有相干波譜的傳播結(jié)構(gòu)沿與流動(dòng)方向傾斜的方向以基本恒定的波群速度傳播。本方法是將一個(gè)擾動(dòng)場(chǎng)局部引入湍流壁面區(qū)域，所說擾動(dòng)場(chǎng)的振幅，波長(zhǎng)和傳播方向使得該擾動(dòng)與傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合并改變此傳播結(jié)構(gòu)，其方式是增加或減少傳播結(jié)構(gòu)與旋圈偶系之間的相互作用從而在流場(chǎng)的局部增加或減小湍流或湍流阻力。
在減小湍流阻力的情況，本方法包括這樣的步驟，提供一個(gè)或選擇兩個(gè)裝置，它們同時(shí)工作產(chǎn)生擾動(dòng)，生成一對(duì)用以加強(qiáng)旋流圈偶的斜向波，從而使旋流圈偶有序化。根據(jù)本發(fā)明，裝置之一可以是放置在壁面展向(即垂直于流體流動(dòng)方向)的排布成一條直線的小三角形突起，它在流體流動(dòng)場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)與由第二裝置產(chǎn)生的另一擾動(dòng)相互作用，所說第二裝置可以是一個(gè)或多個(gè)發(fā)聲器，其將能量注入由突起產(chǎn)生的擾動(dòng)中。也可以使用排布成直線的小三角形突起陣列設(shè)置在壁面展向上以代替單排突起。由突起和發(fā)聲器產(chǎn)生的擾動(dòng)彼此相互作用并產(chǎn)生斜向傳播結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)旋流圈偶、減小湍流。
進(jìn)一步，還可以用沿展向嵌入壁面中的一排或排成陣列的小三角形加熱器件產(chǎn)生的擾動(dòng)與加熱器件依時(shí)間進(jìn)行的操作相互作用在流體流場(chǎng)中以加熱流的斜向波形式產(chǎn)生組合擾動(dòng)，該擾動(dòng)加強(qiáng)了旋流圈偶，并減弱了湍流。
此外，本發(fā)明包括用于控制上述邊界層或其他壁面邊界流體流場(chǎng)中湍流的裝置，這些裝置中包括用于將一擾動(dòng)場(chǎng)局部引入湍流壁面區(qū)域的裝置，所說擾動(dòng)場(chǎng)的振幅，波長(zhǎng)和傳播方向使其與傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合并改變傳播結(jié)構(gòu)，其方式是增強(qiáng)或減弱傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增加或減小流場(chǎng)中的湍流或湍流阻力。用于減小湍流阻力的裝置可以包括上述的那些。
本發(fā)明的實(shí)施例將參考附圖通過舉例來加以說明。


圖1表示壁面邊界處流體流動(dòng)的剖面，其中剖面取自與流動(dòng)方向垂直的方向；圖2為圖1中所示流體流場(chǎng)的平面示意圖；表示與壁面邊界臨近處的具有人字形波動(dòng)的條紋或旋流；圖3是顯示出波動(dòng)的壁面的剖視圖；圖4為改變后的波動(dòng)形狀；圖5為沿與流體流場(chǎng)方向相垂直的方向的壁面邊界流體流場(chǎng)剖視圖，圖中表示了一組換能器，諸如加熱器，超聲波發(fā)生器等，其均嵌在壁表面上；圖6為一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間示意圖，表示了各種換能器依時(shí)序被觸發(fā)的方式；圖7為圖5所示流體流場(chǎng)的平面圖；表示由于換能器按照?qǐng)D6所示的時(shí)序啟動(dòng)而引入流體流場(chǎng)中擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)分布；圖8為一風(fēng)洞的測(cè)試部分的平面視圖，其中在測(cè)試部分的一側(cè)安裝了發(fā)聲器；圖9為該測(cè)試部分的側(cè)視圖，其中表示了將聲波擾動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試部分的湍流中的狹縫；圖10a為與圖8相類似的測(cè)試部分的平面圖，但其中在壁面上沿展向(即垂直于流動(dòng)方向)設(shè)置了排布成直線形的小三角形突起；圖10b為圖10a中測(cè)試部分的側(cè)視圖，表示了將聲擾動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試部分中湍流的狹縫；
圖11a是與圖10a所示相類似的測(cè)試部分的平面圖，但其中表示出安裝在測(cè)試部分相對(duì)兩側(cè)的發(fā)聲器；圖11b是圖11a中的測(cè)試部分的側(cè)視圖；表示了將聲擾動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試部分的湍流中的狹縫；圖12a是與圖10a中所示相類似的測(cè)試部分的平面圖，但其中在壁面的展向上(即垂直于流動(dòng)方向)設(shè)置了若干排小三角形突起構(gòu)成的陣列；圖12b是圖12a中測(cè)試部分的側(cè)視圖，表示將聲擾動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試部分中湍流的狹縫；圖13a為與圖12a所示相似的測(cè)試部分的平面圖，但其中示出在測(cè)試部分的相對(duì)兩側(cè)安裝的發(fā)聲器；圖13b為圖13a中的測(cè)試部分的側(cè)視圖；表示了將聲擾動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試部分湍流中的狹縫；圖14表示了與圖10a、10b、11a、11b、12a、12b、13a和13b相關(guān)的所使用的一排三角形突起狀的詳細(xì)尺寸；圖15a1-15a4為根據(jù)實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)作出的圖；表示了利用如圖10a和11a所示的測(cè)試部分測(cè)得的在壁面附近順流速度展向的變化；圖15b為自然流的垂直速度的均方根值相對(duì)于展向位置的標(biāo)繪圖，其中的自然流受到了小三角形突起和在圖10a所示的測(cè)試部分中向自然流注入86Hz的聲波的擾動(dòng)；圖15c為自然流的順流速度的均方根值相對(duì)于展向位置的標(biāo)繪圖，其中的自然流受到了小三角形突起和在圖10a所示測(cè)試部分中向自然流注入52Hz的聲波的擾動(dòng)；圖16a所示為對(duì)圖10a所示類型的直線排的小三角形突起的改進(jìn)，表示了相對(duì)托舉型機(jī)翼形的突起，各突起產(chǎn)生了一相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈系；圖16b所示為對(duì)圖12a所示類型的小三角形突起直線排展向陣列的改進(jìn)，表示一種相對(duì)托舉機(jī)翼形突起陣列，每個(gè)突起都產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈系；圖17a為包含了在壁面上沿展向(即垂直于流向)設(shè)置的排布成一條直線的三角形突起的風(fēng)洞的測(cè)試部分的平面圖；圖17b為包含了在壁面上沿展向(即與流向垂直的方向)設(shè)置的多排排成直線的三角形突起或其陣列的風(fēng)洞測(cè)試部分的平面圖；圖18為根據(jù)本發(fā)明所使用的“自然”聲發(fā)生器實(shí)例的示意圖；圖19a為風(fēng)洞測(cè)試部分的平面圖，在風(fēng)洞壁面上沿展向(即垂直于流向)嵌置了一排小三角形加熱器件；圖19b為風(fēng)洞測(cè)試部分的平面圖；在風(fēng)洞的壁面上沿展向(即與流向垂直)嵌置了多排或一個(gè)陣列的小三角形加熱器件；最近的一些尚未公開的研究致力于通過對(duì)激勵(lì)波模的改變而改變和控制湍流。在一組計(jì)算機(jī)激勵(lì)作用下，研究了在具有固定壁的管道邊中向下驅(qū)動(dòng)的湍流。在激勵(lì)過程中，擾動(dòng)被有選擇地施加到所選擇的激勵(lì)波模。使運(yùn)動(dòng)相位無規(guī)則化，被選作擾動(dòng)方式。實(shí)際上，這抑制了長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)。使相位無規(guī)則化方法沒有什么特別之處；其他的擾動(dòng)方式同樣可以使用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過只使長(zhǎng)波傳播波模的相位不規(guī)則化，可使流率增加超過30％。與此效果相關(guān)的結(jié)果是可以減小阻力達(dá)40％以上。而對(duì)除長(zhǎng)波波模以外的其他波模的無規(guī)則化只產(chǎn)生很少或沒有影響。另一方面，長(zhǎng)波傳播波模振幅的加強(qiáng)明顯地增強(qiáng)了湍流的混合。這更加證明了波與旋流波模的相互作用對(duì)于噴發(fā)機(jī)制是根本的。
現(xiàn)在參照附圖進(jìn)行說明。標(biāo)號(hào)10表示壁面邊界湍流流場(chǎng)，其中包括限制流體13的壁12，流體13中包含相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈14、16流體形式的局部結(jié)構(gòu)。這些旋流圈，或有時(shí)稱之為條紋的軸沿流體流動(dòng)的方向，即圖1中進(jìn)入紙面的方向，如圖2中箭頭17所示。這些旋流圈性質(zhì)的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)(1)，圖10、第2223頁。簡(jiǎn)言之，這些相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈的直徑是流場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，其長(zhǎng)度大大超過其直徑(超過1001*)。如上所述，有效地旋流圈尺度大約為每對(duì)1001*或2001*。
在完全生成的湍流中，這些局部旋流圈結(jié)構(gòu)穿過近壁區(qū)域向下游流動(dòng)，變得破碎、扭曲、最終噴發(fā)。流動(dòng)中存在的傳播波模的相干結(jié)構(gòu)與旋流中的相干結(jié)構(gòu)之間的相互作用導(dǎo)致旋流圈的噴發(fā)，進(jìn)而使接近邊界層處的慢速運(yùn)動(dòng)流體與主流中快速運(yùn)動(dòng)的流體的混合，反之也一樣。
本發(fā)明提供用于控制引起壁面邊界湍流中旋流圈噴發(fā)的波傳播波模的激勵(lì)的無源和有源兩種機(jī)制。根據(jù)本發(fā)明，用于控制波傳播波模的無源機(jī)制是通過對(duì)存在湍流的壁面形狀加以改變，如挖槽，使之成起伏狀等實(shí)現(xiàn)的。例如，形狀的改變可以通過在壁面上挖槽、或者在壁面上附一層具有所需形狀的貼層而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)形狀的改變是以使表面起伏形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，其幅度應(yīng)在15-20壁單位范圍內(nèi)，以包含湍流產(chǎn)生的峰值位置。典型的起伏波紋波長(zhǎng)或間隔依賴于湍流控制的目的。這些起伏的取向，即起伏的峰之間的低谷的方向，應(yīng)當(dāng)與流動(dòng)方向傾斜偏離15-30°。這就是說，這些起伏的“傳播”方向應(yīng)與流動(dòng)方向成大約60-75°。
圖2為旋流圈14、16的平面視圖，重疊在這些旋流圈之上的是如箭頭18所指以與流動(dòng)方向17成±θ角傳播(傳播波模)的波。如上所指出的，對(duì)于帶有主要能量的波而言θ角在50-80°的范圍。如果考慮到傳播波?？赡艿碾p向角度，起伏最好為如圖2所示的人字型圖案20，或者是完全交錯(cuò)或“滾花”形狀的。
為了增強(qiáng)混合，及例如增進(jìn)熱傳送(即增強(qiáng)湍流)，從而激發(fā)噴發(fā)的產(chǎn)生，起伏表面應(yīng)為如圖3所示嚴(yán)格的正弦形。波長(zhǎng)P最好是在100-300壁單位范圍里，以實(shí)現(xiàn)與激勵(lì)波模的共振，振幅Q最好在15-20壁單位范圍里。
為了減少阻力，這種起伏應(yīng)當(dāng)具有以與上述的相位不規(guī)則化類似形式在波中產(chǎn)生相位干涉的形狀。實(shí)現(xiàn)這一目的的一個(gè)方法是生成由共振波長(zhǎng)調(diào)制的無序形狀，并且含有在波長(zhǎng)范圍的不相稱正弦形狀的一個(gè)適當(dāng)?shù)暮汀D4中所示為一個(gè)典型的剖面圖。
除了使用無源機(jī)制與波傳播波模相互作用以控制湍流，本發(fā)明還嘗試了使用有源裝置來實(shí)現(xiàn)此目的。如圖5中所示的實(shí)施例30，就是有源裝置的一個(gè)實(shí)例。如圖所示，嵌裝在壁面上的換能器如加熱元件31、32等，是通過以加熱器控制形式進(jìn)行的換能器控制33觸發(fā)的。加熱器控制33的操作是依時(shí)序給加熱器提供脈沖以對(duì)流體進(jìn)行局部加熱，其脈動(dòng)波形與由邊層流的壁面上的起伏所產(chǎn)生的波形是一樣的。于是，局部的加熱將產(chǎn)生或者抑制或者增強(qiáng)噴發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)度變化的波形。
控制模式33可按照?qǐng)D6所示時(shí)序啟動(dòng)加熱器產(chǎn)生如圖7所示的擾動(dòng)空間分布。在波形中引起相位干涉的波形或圖案可由熱譜以與上述的起伏表面相似的形式生成。
上述兩種機(jī)制都對(duì)激勵(lì)機(jī)制產(chǎn)生控制作用，并且適合于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件。在兩種情況下，不論是通過改變表面形狀還是通過加熱元件的適當(dāng)放置和使之脈沖式運(yùn)作，所產(chǎn)生波紋的位置都是固定的。固定波形是由流動(dòng)狀態(tài)，具體地說是由流動(dòng)參數(shù)(例如雷諾數(shù))所規(guī)定的。
其他的應(yīng)用涉及對(duì)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)下的湍流的控制。安裝在壁面上的加熱元件可以安裝在垂直于流動(dòng)方向的帶狀區(qū)域中?？梢砸罆r(shí)序順序啟動(dòng)這些元件以產(chǎn)生任意角度的斜向波。通過適當(dāng)?shù)貑?dòng)，或使一排加熱元件脈動(dòng)式工作，可以生成加強(qiáng)或減弱噴發(fā)現(xiàn)象的任何波動(dòng)圖形。這樣就使得這些研究的應(yīng)用可以適用于變化流率的情況，(即，變化的雷諾數(shù))。
導(dǎo)入流體流動(dòng)場(chǎng)中擾動(dòng)的相位不規(guī)則化及相位的加強(qiáng)還可以利用安裝在壁面上的發(fā)聲器，或是安裝在外部如圖5中換能器所示位置上的發(fā)生器所產(chǎn)生的聲波來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)致流體流動(dòng)混合增加的激勵(lì)波模的相位增強(qiáng)可以由固定波形實(shí)現(xiàn)。通過適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)聲發(fā)生器陣列可以產(chǎn)生與起伏表面相關(guān)聯(lián)的上述波形的非同步聲波。而對(duì)聲驅(qū)動(dòng)器的適當(dāng)編程可以處理變化流率的情況。
通過由安裝在壁面上的振動(dòng)，傳感器使壁面產(chǎn)生相應(yīng)波形的振動(dòng)，并將此振動(dòng)傳輸?shù)搅黧w中也可以實(shí)現(xiàn)使相位不規(guī)則化、或激勵(lì)波模增強(qiáng)的效果。聲音或聲波發(fā)生器，或振動(dòng)傳感器可以在導(dǎo)管的側(cè)壁上安裝成陣列狀，或是安裝在管的周邊上，或是其他壁面邊界流場(chǎng)的壁面上。
本發(fā)明也可以在其中流體是導(dǎo)電的，如海水的壁面邊界流體流動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)施。在這種情況下，可以通過與壁面相聯(lián)或相鄰的變化磁場(chǎng)，或電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，以便用前述的方式在傳播結(jié)構(gòu)或波模中導(dǎo)入所需的擾動(dòng)或產(chǎn)生變化。
本發(fā)明尤其可用于通氣導(dǎo)管，彎曲通氣導(dǎo)管，管道，彎曲管道，壓縮機(jī)，泵和渦輪機(jī)以減小湍流。本發(fā)明還可用于內(nèi)燃機(jī)的燃燒室，及此類裝置，以使燃燒室中空氣與燃料的混合加強(qiáng)，從而促進(jìn)燃燒。
如果湍流流體是導(dǎo)電性的，或弱導(dǎo)電性的，如海水的情況，可使用起電裝置來產(chǎn)生前面所討論的波譜。可以使用安裝在壁面上如圖5中換能器所處位置的電極產(chǎn)生電流，用來進(jìn)行局部加熱，或與磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生局部的電磁力。這些方式亦可用來控制上述的相應(yīng)波譜。最后，可以使用安裝在壁面上的應(yīng)變計(jì)，壓力傳感器，熱偶，或任何其他微型測(cè)量裝置來探測(cè)激發(fā)傳播波模的開始形成。這些信號(hào)可用于熱、聲或電系統(tǒng)的反饋控制環(huán)路，以選擇性地增強(qiáng)或破壞所涉及的激發(fā)傳播波模。
雖然本發(fā)明是針對(duì)壁面邊界流體流場(chǎng)中的湍流加以說明的，但本發(fā)明上述的方法和裝置也可以用于邊界層湍流如在流體中運(yùn)動(dòng)物體附近所產(chǎn)生的湍流。因此，本發(fā)明可應(yīng)用于在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體(例如在陸地上行駛的車輛，和飛機(jī))，及在水中運(yùn)動(dòng)的物體(如船)等。
此外，本發(fā)明的上述方法和裝置還可以在導(dǎo)電流體，如海水中的邊界層流場(chǎng)中使用。在這種情況下，可以通過與一物體如在海水中運(yùn)動(dòng)的船只關(guān)聯(lián)的，或在其附近產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)或變化電磁場(chǎng)來產(chǎn)生擾動(dòng)，從而以前述的方式將所需要的擾動(dòng)導(dǎo)入傳播結(jié)構(gòu)或波模，或使其發(fā)生變化。
在一項(xiàng)實(shí)際進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用一個(gè)相對(duì)較弱的發(fā)聲器在風(fēng)洞的測(cè)試部分內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)聲擾動(dòng)時(shí)，湍流阻力有了實(shí)質(zhì)性的減小(9％)。圖8表示了在實(shí)驗(yàn)中使用的聲共振器與測(cè)試部分之間的關(guān)系。如圖所標(biāo)示的，風(fēng)洞的測(cè)試部分大約57cm高、81cm寬、長(zhǎng)380cm。發(fā)聲器以大約65°角安裝在測(cè)試部分的側(cè)面上。發(fā)聲器采用共振箱的形式，其錐形部分約22cm長(zhǎng)，在安裝揚(yáng)聲器的一湍測(cè)量約為61×22cm，與揚(yáng)聲器相對(duì)湍為8×61cm。與錐形部分相接的一段線形部分，一側(cè)長(zhǎng)約42cm，另一側(cè)長(zhǎng)約72cm。線性部分的自由湍被封住以形成一個(gè)1cm×61cm長(zhǎng)的狹縫。狹縫位于與測(cè)試部分的壁準(zhǔn)直的位置上。
測(cè)量是采用一根直的熱電阻線在測(cè)試部分壁附近相隔30cm的兩點(diǎn)間進(jìn)行的。其中一個(gè)點(diǎn)位于共振箱的軸上，并深入測(cè)試部分約190cm。
在軸點(diǎn)處，對(duì)于以自由流動(dòng)速度流動(dòng)具有7.7×105雷諾數(shù)的流場(chǎng)，湍流邊界層厚度為48mm，用一放大器驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器2降低大約9％的阻力，此揚(yáng)聲器可產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)頻率為170Hz的聲信號(hào)。根據(jù)“DragReduction in Turbulent Channel Flow by PhaseRandomization”A.R.Handler，E.Levich.和L.SirovichPhys.Fluids，(此文在本申請(qǐng)中用作參考)，在426Hz頻率時(shí)，相位在0-360°范圍內(nèi)被無規(guī)則化。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的這些實(shí)施例所使用的導(dǎo)入測(cè)試部分的聲波擾動(dòng)的頻率或波長(zhǎng)在100-3001*的范圍內(nèi)(其中1*為一個(gè)壁單位)。
此外，還可以使用各種機(jī)械裝置將所需擾動(dòng)導(dǎo)入流體中。例如，在流體流場(chǎng)中展開的細(xì)線網(wǎng)在流體與阻擋流體的線的彈性相互作用下可被激發(fā)產(chǎn)生所需擾動(dòng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10a和10b描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中由兩個(gè)裝置同時(shí)工作產(chǎn)生兩個(gè)分開的擾動(dòng)，這兩個(gè)擾動(dòng)在局部區(qū)域有效地形成了與斜向傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合或使之改變的合成擾動(dòng)場(chǎng)，以增強(qiáng)或減弱傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系之間的相互作用，從而在流場(chǎng)中局部增大或減小湍流阻力。在此實(shí)施例中，裝置50包括小三角形突起53的條帶52構(gòu)成的第一裝置51，和由發(fā)聲器55構(gòu)成的第二裝置54，發(fā)聲器為一共振箱，在共振箱的自由湍58裝設(shè)有揚(yáng)聲器56。這種技術(shù)方案的結(jié)果能夠得到產(chǎn)生一對(duì)斜向波的一個(gè)擾動(dòng)，用以增強(qiáng)旋流圈，從而使旋流圈有序化，結(jié)果降低了湍流阻力。
在上述使用小三角形突起的實(shí)施例中，每個(gè)小三角形突起具有垂直于中心流動(dòng)方向的微小底湍，在本例中為4mm，和沿流動(dòng)方向的微小長(zhǎng)度約5mm，展向間距約為5mm，即約為120壁單位。也可以分別按100、200和400壁單位的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)使用小三角形突起排的陣列時(shí)，相鄰排之間沿流向的間隔約為2cm，對(duì)于這些實(shí)施例這大約是600壁單位。對(duì)于其他流動(dòng)狀態(tài)，這些尺寸也相應(yīng)地變化。
現(xiàn)在參照附圖11a和11b描述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中兩個(gè)裝置同時(shí)工作用于產(chǎn)生降低流場(chǎng)中湍流阻力的擾動(dòng)。在此實(shí)施例中裝置50包括小三角形突起53的條帶52構(gòu)成的第一裝置51，和由發(fā)聲器55a4及55b構(gòu)成的第二裝置54。這些發(fā)聲器產(chǎn)生的擾動(dòng)與由突起引起的擾動(dòng)相互作用，產(chǎn)生一對(duì)增強(qiáng)旋流圈的斜向波，從而使旋流圈有序化而減小了湍流阻力。這里為了簡(jiǎn)便只詳細(xì)描述發(fā)聲器55a，但實(shí)際上發(fā)聲器55b也是一樣的。發(fā)聲器55a由一共振箱構(gòu)成，在其一湍58裝有一揚(yáng)聲器56。這兩個(gè)裝置都用于產(chǎn)生擾動(dòng)，以形成一對(duì)增強(qiáng)旋流圈的斜向波，從而使旋流圈有序化而減小了湍流阻力。
參照附圖12a和12b可說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，其中又提供了用以產(chǎn)生減小流場(chǎng)中湍流阻力的擾動(dòng)的兩個(gè)同時(shí)工作的裝置。在此實(shí)施例中，裝置50包括由成排小三角形突起53條帶52的陣列構(gòu)成的第一裝置51，各條帶垂直于流動(dòng)方向，其陣列位于構(gòu)成第二裝置54的發(fā)聲器55的傳聲路徑上。
在此例中，發(fā)聲器55包括一個(gè)共振箱，在其自由湍58裝有一揚(yáng)聲器56，它可產(chǎn)生用以增強(qiáng)旋流圈的擾動(dòng)，該擾動(dòng)產(chǎn)生一對(duì)斜向波，以使旋流圈有序化從而減小湍流阻力。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例參照?qǐng)D13a和13b加以說明，其中也包括用于減小流場(chǎng)中湍流阻力的擾動(dòng)的兩個(gè)裝置。在此實(shí)施例中裝置50包括由成排小三角形突起53的條帶52構(gòu)成的第一裝置51。此實(shí)施例中的第二裝置54包括發(fā)聲器55a和55b，它們可產(chǎn)生增強(qiáng)旋流圈的擾動(dòng)，該擾動(dòng)產(chǎn)生一對(duì)斜向波，以使旋流圈有序化從而減小湍流阻力。這里為了簡(jiǎn)便只詳細(xì)說明了發(fā)聲器55a，但實(shí)際上發(fā)聲器55b也是一樣的。發(fā)聲器55a包括一個(gè)共振箱，在共振箱的一湍58裝設(shè)有一揚(yáng)聲器56。這些裝置均用于產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，該擾動(dòng)產(chǎn)生一對(duì)斜向波，經(jīng)與小三角帶陣列相互作用增強(qiáng)了旋流圈，使旋流圈有序化從而減小了湍流阻力。
在參照?qǐng)D10a，圖10b，圖11a和11b，圖12a和12b，及圖13a和13b所描述的實(shí)施例中，三角形突起條帶嵌置在風(fēng)洞壁上，當(dāng)風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)在所說壁處形成湍流邊界層?，F(xiàn)在，最佳尺度如圖14所示，每一三角帶的高度最好在12到15個(gè)壁單位范圍內(nèi)，在這些實(shí)施例的條件下約為0.5mm。
在這些實(shí)施例中，從風(fēng)洞一側(cè)或兩側(cè)壁上發(fā)射出的聲波與高出壁面的小三角形突起相互作用，產(chǎn)生與流動(dòng)波前方向傾斜的波譜，所說波前方向平行于小三角形突起的頂部。于是在兩個(gè)傾斜角度上的波與旋流圈波模之間發(fā)生非線性相互作用。相互作用的結(jié)果就是增強(qiáng)了如圖15a、15b和15c中所示類型的旋流圈結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最有效的增強(qiáng)旋流圈結(jié)構(gòu)為在這些實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)聲器的驅(qū)動(dòng)頻率在60到90Hz范圍時(shí)所產(chǎn)生的那些。如圖12a、12b、13a和13b所示采用小三角形突起條帶陣列能使所產(chǎn)生的旋流圈結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)并維持較長(zhǎng)時(shí)間，而如圖10a、10b、11a和11b所示使用一條小三角形突起帶只能維持短得多的時(shí)間。在采用條帶陣列的情況下，小三角形突起帶按鎖相方式設(shè)置、例如圖12a和13a所示，在陣列的各條帶之間保持大約為500壁單位的距離。
在這些技術(shù)方案中，所產(chǎn)生的聲波波模與小三角形突起帶的結(jié)合作用所生成的波模產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)的波長(zhǎng)由第一裝置的特征尺寸和由第二裝置產(chǎn)生的聲波的頻率所決定。將擾動(dòng)施加到湍流邊界層的結(jié)果是較好地產(chǎn)生并出現(xiàn)了增強(qiáng)旋流圈波譜。
支持這一結(jié)論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)如圖15a1-15a4所示，其中各個(gè)顯示的水平軸為圖10a-11b中測(cè)試部分的展向，即垂直于流向的方向，豎直軸是到測(cè)試部分底部的距離。因此，這些圖表示與測(cè)試部分的壁相鄰的流體穿過與流向垂直的一個(gè)截面時(shí)速度的變化。顯示的灰度正比于速度，其中黑色表示零速度。
如圖15al-15a4中的顯示所示，采用由聲波與小三角形突起帶結(jié)合作用產(chǎn)生的擾動(dòng)，與不采用聲擾動(dòng)力的情況相比會(huì)導(dǎo)致旋流圈結(jié)構(gòu)的增加。
這兩種擾動(dòng)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)如此選擇，以使速度場(chǎng)的總擾動(dòng)產(chǎn)生一對(duì)與自然旋流圈結(jié)構(gòu)發(fā)生共振相互作用的斜向波，從而破壞自然流動(dòng)中旋流圈與傳播結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)部固有的相互作用。這種共振相互作用通常會(huì)增加旋流圈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且可以經(jīng)過設(shè)計(jì)使得旋流圈經(jīng)向尺度增大，從而降低湍流阻力。這是由于加強(qiáng)的旋流圈結(jié)構(gòu)沿著產(chǎn)生湍流邊界層的物體物理邊界形成旋流圈結(jié)構(gòu)層。這一層顯示出湍流由于運(yùn)動(dòng)能量降低而向小尺度演化的過程，進(jìn)而使得這一邊界層中其余部分具有較高的速度。其他裝置也可以用于產(chǎn)生對(duì)流動(dòng)速度場(chǎng)的一組擾動(dòng)，即產(chǎn)生一對(duì)共振斜向波形式的總擾動(dòng)。
在前述的實(shí)施例中，當(dāng)使用一條小三角帶與發(fā)聲器結(jié)合時(shí)，該條帶可以放置在發(fā)聲器的上游、下游或相對(duì)位置。
在另一個(gè)實(shí)施例中，可如圖17所示不使用發(fā)聲器而只使用一排小三角突起帶，或若干排小三角條帶的陣列。這比使用聲能的效率要低，但在某些情況下，這可能是唯一可用的方式。
在又一個(gè)實(shí)施例中，相對(duì)托舉的機(jī)翼形突起帶被用來代替三角形突起帶，如圖16a所示。每一對(duì)這樣的機(jī)翼形突起產(chǎn)生一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈，這是源于托舉翼的翼梢旋渦形成的。翼形突起對(duì)較佳地應(yīng)以100-200壁單位為間隔放置從而在流體中產(chǎn)生旋流圈對(duì)。以圖11轉(zhuǎn)換到圖12相同的方式，可如圖16b所示裝設(shè)一翼形突起對(duì)的陣列。每行翼形對(duì)應(yīng)以約500壁單位分隔放置。圖16a和16b中所示的應(yīng)用僅僅是不使用發(fā)聲器時(shí)的無源流場(chǎng)誘導(dǎo)物。
如圖所示，每一排中的相鄰翼形突起之間的最佳間距約為100-200壁單位，在突起陣列的相繼排之間的間隔約為500壁單位。
雖然圖16a和16b所示及說明的為機(jī)翼形突起，但其他形狀的成對(duì)突起也可以被用來產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)的旋流圈對(duì)。此外，小三角形突起的標(biāo)稱角度為45°。
在又一個(gè)實(shí)施例中，可以使用如圖19a和19b所示的一排嵌置的小三角形加熱元件，或幾排嵌置的小三角形加熱元件陣列。依時(shí)序變化的方式操作這些加熱元件可以產(chǎn)生加強(qiáng)旋流圈結(jié)構(gòu)的類似擾動(dòng)。
目前所考慮的是用于產(chǎn)生擾動(dòng)的裝置將根據(jù)所需情況和流動(dòng)一起以減小湍流阻力或增加湍流熱傳送，例如沿管道壁的長(zhǎng)度方向等設(shè)置這些裝置。
盡管上述實(shí)施例是以揚(yáng)聲器作為聲能源，但應(yīng)該理解還可以使用自然的聲能源。例如，利用風(fēng)聲或空腔共振器產(chǎn)生聲能。風(fēng)聲可以由流體流過如圖18所示的絲帶或絲線產(chǎn)生，或者由流體流過，例如盲孔腔產(chǎn)生。
根據(jù)前面對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的介紹使得本發(fā)明的方法和裝置的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)效果十分明顯。在不脫離如權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍前提下還可以作出多種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.用于控制具有一個(gè)湍流壁區(qū)域的邊界層或其他壁面邊界流體流場(chǎng)中湍流的方法，所說湍流壁區(qū)域的特征在于其中旋流圈偶系或條紋的直徑與流強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系，并沿流動(dòng)方向延展，相干波形的傳播結(jié)構(gòu)以基本恒定的波群速沿與流動(dòng)方向傾斜的方向傳播，所說方法包括以下步驟將兩個(gè)分開的擾動(dòng)導(dǎo)入湍流壁區(qū)域，這兩個(gè)擾動(dòng)在所說區(qū)域能夠產(chǎn)生與斜向傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合或使之改變的合成擾動(dòng)場(chǎng)，所說合成擾動(dòng)場(chǎng)增強(qiáng)或減弱傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增加或減弱流場(chǎng)中湍流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于由流體與壁面上沿垂直于流動(dòng)方向延伸并直線排布的小三角形突起帶的相互作用產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第二個(gè)擾動(dòng)可由把聲能注入所說區(qū)域而生成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于一個(gè)擾動(dòng)由流體與位于壁面展向的小三角形突起陣列之間的相互作用產(chǎn)生，所說的小三角形突起陣列由沿流向間隔設(shè)置的若干排突起構(gòu)成，所說的每排突起沿垂直于流動(dòng)方向的方向延展。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于第二擾動(dòng)是通過將聲能注入所說區(qū)域產(chǎn)生的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所說聲能是由發(fā)聲器發(fā)射的具有不同頻率的聲波，所說頻帶是經(jīng)過選擇的以使斜向波對(duì)所說旋流圈產(chǎn)生有序化作用和增強(qiáng)作用最大。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于一個(gè)擾動(dòng)由流體與一排，或若干排組成陣列的沿展向嵌置在壁中的小三角形突起的相互作用產(chǎn)生，第二擾動(dòng)由依一定時(shí)序啟動(dòng)的加熱元件產(chǎn)生，從而在流場(chǎng)中以加熱流體的斜向波的形式產(chǎn)生合成擾動(dòng)。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說聲能是以具有不同頻率的聲波形式體現(xiàn)的，所說聲波的頻帶是經(jīng)過選擇的以使斜向波對(duì)于旋流圈的有序化作用或增強(qiáng)作用最大。
9.一種用于控制具有一個(gè)湍流壁區(qū)域的邊界層或其他壁面邊界流體流場(chǎng)中湍流的方法，所說湍流壁區(qū)域特征在于其中旋流圈偶系的尺度與流強(qiáng)具有一定的函數(shù)關(guān)系，并且沿流向延展，具有相干波譜的傳播結(jié)構(gòu)以基本恒定的波群速沿與流向傾斜的方向傳播，所說方法包括以下步驟將由流體與沿直線排布的機(jī)翼形突起之間相互作用產(chǎn)生的擾動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)入該湍流壁區(qū)域，于是可產(chǎn)生增強(qiáng)旋流圈有序化的旋流圈對(duì)，從而局部減小流場(chǎng)中的湍流和阻力。
10.一種用于控制具有一個(gè)湍流壁區(qū)域的邊界層或其他壁面邊界流體流場(chǎng)中湍流的方法，所說湍流壁區(qū)域的特征在于其中旋流圈偶系的直徑與流強(qiáng)具有一定的函數(shù)關(guān)系，并且沿流向延展，具有相干波譜的傳播結(jié)構(gòu)以基本恒定的波群速沿與流向傾斜的方向傳播，所說方法包括以下步驟將由流體與沿直線排布的小三角形突起之間的相互作用產(chǎn)生的擾動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)入該湍流壁區(qū)域，以使擾動(dòng)與斜向傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合并改變所說斜向傳播結(jié)構(gòu)，減小傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系之間的相互作用，加強(qiáng)旋流圈的有序化，從而局部減小流場(chǎng)中的湍流和阻力。
全文摘要
具有一個(gè)湍流壁區(qū)域的邊界層或壁面邊界流體流場(chǎng)中的湍流被加以控制，所說湍流壁區(qū)域的特征在于旋流圈偶系沿流向延展，并且斜向傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系相互作用，所說控制的方法是通過將兩個(gè)分別產(chǎn)生的擾動(dòng)從局部導(dǎo)入該湍流壁區(qū)域，所說的兩個(gè)擾動(dòng)能夠在局部產(chǎn)生可與斜向傳播結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈耦合并使之改變的合成擾動(dòng)，增強(qiáng)或減弱傳播結(jié)構(gòu)與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增強(qiáng)或減弱流場(chǎng)中的湍流。
文檔編號(hào)F15D1/12GK1128866SQ9510852
公開日1996年8月14日 申請(qǐng)日期1995年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月2日
發(fā)明者L·西羅維奇, E·萊維奇, L·Y·布朗尼基 申請(qǐng)人:奧列夫科學(xué)計(jì)算公司