專利名稱：控制邊界層和其他壁面邊界處流體流場中湍流的方法及其所用裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及控制邊界層和其他壁面邊界處流體流場中湍流的方法及其所用裝置。
相關出版物(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。
按照經典流體力學的觀點，湍流被認為是在所有可能的自由度上激發的無序狀態。從對宏觀現象，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驗，如將奶油攪拌到咖啡中或混合油漆都支持這種觀點。
湍流既有害又有益，它對汽車或飛機產生不希望有的阻力；但它也能促進發動機中燃料與空氣的混合，或加速房間中熱的分布。湍流對人類活動具有巨大的影響，但是直到近幾年認為湍流是一種無序狀態的觀點阻礙了對這種現象的科學分析。隨著超級計算機的問世，已能夠對壁面邊界湍流進行工作量浩大的計算、和進行先進的實驗研究，現在對湍流的認識已產生了驚人的變化。過去曾經被認為是一種無序狀態的湍流，現在被認為是表面無序中間的具有相干波譜的運動。
對于壁面或邊界層處流動的湍流，例如機翼上的氣流，或管道中液流的深入研究表明在壁面附近存在具有一對相對旋轉的順流旋流圈形式的相干結構，但它們位于外沿和次層以外。這些旋圈有時被稱作旋渦條紋，在其動態運動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，導致低速運動的流體從壁面處突然噴入快速運動的流體主流中。這種噴發在壁面上產生一種凈阻力。已經估算出，這些能在壁面上產生80％阻力的噴發，只出現在大約20％的時間。對于這種湍流流譜的研究還表明，對所有壁面邊界湍流都典型存在的是這些旋流圈經過立體相干波形短暫變化的影響而產生扭曲。
為了精確測定旋渦條紋的寬度，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的體現，而不是壁面的性質，也不是遠離壁面的流場的性質。局部狀態完全可以用在壁面上的平均摩擦應力S，流體密度上γ，和流體的粘滯度m來表示。這些量定義了一個局部空間尺度，或長度驚訝l*，其通常被稱作一個壁單位等于m/(sr)1/2。占優勢的旋流圈直徑通常為每對50到100壁單位，或1001*到2001*。
術語“占優勢的”，就旋渦直徑而言，意味著湍流能量的絕大部分(或是波動速度的絕大部分)存在于這一尺度內的運動模式中。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致這些旋渦的扭曲，最終導致使慢速運動流體混合進較快速運動流體中的相對劇烈的噴發現象。
隨著發現在湍流壁面區域還存在傳播結構，對于在壁面邊界湍流中發生的現象有了深刻的理解。在上面引用的參考文獻(1)中，指出傳播結構是以恒定波群速傳播的相干波譜。根據上述的參考文獻(2)，進一步肯定了傳播波模的存在。此外，經檢索得到的一篇20年前寫的論文涉及壁面湍流的實驗，這篇文獻雖然沒有直接說明，但暗示了在湍流中這種傳播波模的存在和所起的作用。
如上述兩份文獻所論證的，傳播波模是噴發現象的激勵源，正是噴發現象導致了存在于壁面湍流的阻力產生現象。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產生噴發。此外，對噴發現象的實驗上和數字測量的時間過程對應于對傳播波模的測量過程。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。
激勵模式的波長也是一個重要的因素。這些波長的波在噴發現象中起著比旋渦尺度更重的作用。
最重要的激勵波模與能量承載旋渦波模的波長相比具有一橫向延展分量。這顯然表明通過激勵作用使旋渦波模易于噴發的共振機制的存在。為了易于說明，主要的激勵波模有時稱之為長波波模。并不存在顯著長的長波波模，但存在許多短波波模。
所以本發明的目的是提供一種通過改變激勵波模從而改變和控制湍流的方法和裝置。
根據本發明，提出了一種控制邊界層或其他壁面邊界流體流場中湍流的方法，流場具有一個湍流壁區域，其特征在于呈現條紋的一旋圈偶系統，其直徑與流強具有一定的函數關系，并沿流動方向延展，和在于具有相干波譜的傳播結構沿與流動方向傾斜的方向以基本恒定的波群速度傳播。本方法是將一個擾動場局部引入湍流壁面區域，所說擾動場的振幅，波長和傳播方向使得該擾動與傳播結構強烈耦合并改變此傳播結構，其方式是增加或減少傳播結構與旋圈偶系之間的相互作用從而在流場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，提供一個或選擇兩個裝置，它們同時工作產生擾動，生成一對用以加強旋流圈偶的斜向波，從而使旋流圈偶有序化。根據本發明，裝置之一可以是放置在壁面展向(即垂直于流體流動方向)的排布成一條直線的小三角形突起，它在流體流動場中產生一個擾動與由第二裝置產生的另一擾動相互作用，所說第二裝置可以是一個或多個發聲器，其將能量注入由突起產生的擾動中。也可以使用排布成直線的小三角形突起陣列設置在壁面展向上以代替單排突起。由突起和發聲器產生的擾動彼此相互作用并產生斜向傳播結構，以加強旋流圈偶、減小湍流。
進一步，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生的擾動與加熱器件依時間進行的操作相互作用在流體流場中以加熱流的斜向波形式產生組合擾動，該擾動加強了旋流圈偶，并減弱了湍流。
此外，本發明包括用于控制上述邊界層或其他壁面邊界流體流場中湍流的裝置，這些裝置中包括用于將一擾動場局部引入湍流壁面區域的裝置，所說擾動場的振幅，波長和傳播方向使其與傳播結構強烈耦合并改變傳播結構，其方式是增強或減弱傳播結構與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增加或減小流場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。
本發明的實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的剖面，其中剖面取自與流動方向垂直的方向；圖2為圖1中所示流體流場的平面示意圖；表示與壁面邊界臨近處的具有人字形波動的條紋或旋流；圖3是顯示出波動的壁面的剖視圖；圖4為改變后的波動形狀；圖5為沿與流體流場方向相垂直的方向的壁面邊界流體流場剖視圖，圖中表示了一組換能器，諸如加熱器，超聲波發生器等，其均嵌在壁表面上；圖6為一標準時間示意圖，表示了各種換能器依時序被觸發的方式；圖7為圖5所示流體流場的平面圖；表示由于換能器按照圖6所示的時序啟動而引入流體流場中擾動的標準分布；圖8為一風洞的測試部分的平面視圖，其中在測試部分的一側安裝了發聲器；圖9為該測試部分的側視圖，其中表示了將聲波擾動導入測試部分的湍流中的狹縫；圖10a為與圖8相類似的測試部分的平面圖，但其中在壁面上沿展向(即垂直于流動方向)設置了排布成直線形的小三角形突起；圖10b為圖10a中測試部分的側視圖，表示了將聲擾動導入測試部分中湍流的狹縫；
圖11a是與圖10a所示相類似的測試部分的平面圖，但其中表示出安裝在測試部分相對兩側的發聲器；圖11b是圖11a中的測試部分的側視圖；表示了將聲擾動導入測試部分的湍流中的狹縫；圖12a是與圖10a中所示相類似的測試部分的平面圖，但其中在壁面的展向上(即垂直于流動方向)設置了若干排小三角形突起構成的陣列；圖12b是圖12a中測試部分的側視圖，表示將聲擾動導入測試部分中湍流的狹縫；圖13a為與圖12a所示相似的測試部分的平面圖，但其中示出在測試部分的相對兩側安裝的發聲器；圖13b為圖13a中的測試部分的側視圖；表示了將聲擾動導入測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相關的所使用的一排三角形突起狀的詳細尺寸；圖15a1-15a4為根據實驗由計算機作出的圖；表示了利用如圖10a和11a所示的測試部分測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于展向位置的標繪圖，其中的自然流受到了小三角形突起和在圖10a所示的測試部分中向自然流注入86Hz的聲波的擾動；圖15c為自然流的順流速度的均方根值相對于展向位置的標繪圖，其中的自然流受到了小三角形突起和在圖10a所示測試部分中向自然流注入52Hz的聲波的擾動；圖16a所示為對圖10a所示類型的直線排的小三角形突起的改進，表示了相對托舉型機翼形的突起，各突起產生了一相對旋轉的旋流圈系；圖16b所示為對圖12a所示類型的小三角形突起直線排展向陣列的改進，表示一種相對托舉機翼形突起陣列，每個突起都產生相對旋轉的旋流圈系；圖17a為包含了在壁面上沿展向(即垂直于流向)設置的排布成一條直線的三角形突起的風洞的測試部分的平面圖；圖17b為包含了在壁面上沿展向(即與流向垂直的方向)設置的多排排成直線的三角形突起或其陣列的風洞測試部分的平面圖；圖18為根據本發明所使用的“自然”聲發生器實例的示意圖；圖19a為風洞測試部分的平面圖，在風洞壁面上沿展向(即垂直于流向)嵌置了一排小三角形加熱器件；圖19b為風洞測試部分的平面圖；在風洞的壁面上沿展向(即與流向垂直)嵌置了多排或一個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激勵波模的改變而改變和控制湍流。在一組計算機激勵作用下，研究了在具有固定壁的管道邊中向下驅動的湍流。在激勵過程中，擾動被有選擇地施加到所選擇的激勵波模。使運動相位無規則化，被選作擾動方式。實際上，這抑制了長波運動。使相位無規則化方法沒有什么特別之處；其他的擾動方式同樣可以使用。已經發現通過只使長波傳播波模的相位不規則化，可使流率增加超過30％。與此效果相關的結果是可以減小阻力達40％以上。而對除長波波模以外的其他波模的無規則化只產生很少或沒有影響。另一方面，長波傳播波模振幅的加強明顯地增強了湍流的混合。這更加證明了波與旋流波模的相互作用對于噴發機制是根本的。
現在參照附圖進行說明。標號10表示壁面邊界湍流流場，其中包括限制流體13的壁12，流體13中包含相對旋轉的旋流圈14、16流體形式的局部結構。這些旋流圈，或有時稱之為條紋的軸沿流體流動的方向，即圖1中進入紙面的方向，如圖2中箭頭17所示。這些旋流圈性質的詳細描述參見文獻(1)，圖10、第2223頁。簡言之，這些相對旋轉的旋流圈的直徑是流場強度的函數，其長度大大超過其直徑(超過1001*)。如上所述，有效地旋流圈尺度大約為每對1001*或2001*。
在完全生成的湍流中，這些局部旋流圈結構穿過近壁區域向下游流動，變得破碎、扭曲、最終噴發。流動中存在的傳播波模的相干結構與旋流中的相干結構之間的相互作用導致旋流圈的噴發，進而使接近邊界層處的慢速運動流體與主流中快速運動的流體的混合，反之也一樣。
本發明提供用于控制引起壁面邊界湍流中旋流圈噴發的波傳播波模的激勵的無源和有源兩種機制。根據本發明，用于控制波傳播波模的無源機制是通過對存在湍流的壁面形狀加以改變，如挖槽，使之成起伏狀等實現的。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現。當形狀的改變是以使表面起伏形式實現時，其幅度應在15-20壁單位范圍內，以包含湍流產生的峰值位置。典型的起伏波紋波長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，應當與流動方向傾斜偏離15-30°。這就是說，這些起伏的“傳播”方向應與流動方向成大約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所指以與流動方向17成±θ角傳播(傳播波模)的波。如上所指出的，對于帶有主要能量的波而言θ角在50-80°的范圍。如果考慮到傳播波模可能的雙向角度，起伏最好為如圖2所示的人字型圖案20，或者是完全交錯或“滾花”形狀的。
為了增強混合，及例如增進熱傳送(即增強湍流)，從而激發噴發的產生，起伏表面應為如圖3所示嚴格的正弦形。波長P最好是在100-300壁單位范圍里，以實現與激勵波模的共振，振幅Q最好在15-20壁單位范圍里。
為了減少阻力，這種起伏應當具有以與上述的相位不規則化類似形式在波中產生相位干涉的形狀。實現這一目的的一個方法是生成由共振波長調制的無序形狀，并且含有在波長范圍的不相稱正弦形狀的一個適當的和。圖4中所示為一個典型的剖面圖。
除了使用無源機制與波傳播波模相互作用以控制湍流，本發明還嘗試了使用有源裝置來實現此目的。如圖5中所示的實施例30，就是有源裝置的一個實例。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行的換能器控制33觸發的。加熱器控制33的操作是依時序給加熱器提供脈沖以對流體進行局部加熱，其脈動波形與由邊層流的壁面上的起伏所產生的波形是一樣的。于是，局部的加熱將產生或者抑制或者增強噴發活動的強度變化的波形。
控制模式33可按照圖6所示時序啟動加熱器產生如圖7所示的擾動空間分布。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。
上述兩種機制都對激勵機制產生控制作用，并且適合于穩態流動條件。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放置和使之脈沖式運作，所產生波紋的位置都是固定的。固定波形是由流動狀態，具體地說是由流動參數(例如雷諾數)所規定的。
其他的應用涉及對非穩態流動狀態下的湍流的控制。安裝在壁面上的加熱元件可以安裝在垂直于流動方向的帶狀區域中。可以依時序順序啟動這些元件以產生任意角度的斜向波。通過適當地啟動，或使一排加熱元件脈動式工作，可以生成加強或減弱噴發現象的任何波動圖形。這樣就使得這些研究的應用可以適用于變化流率的情況，(即，變化的雷諾數)。
導入流體流動場中擾動的相位不規則化及相位的加強還可以利用安裝在壁面上的發聲器，或是安裝在外部如圖5中換能器所示位置上的發生器所產生的聲波來實現。導致流體流動混合增加的激勵波模的相位增強可以由固定波形實現。通過適當地驅動聲發生器陣列可以產生與起伏表面相關聯的上述波形的非同步聲波。而對聲驅動器的適當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，傳感器使壁面產生相應波形的振動，并將此振動傳輸到流體中也可以實現使相位不規則化、或激勵波模增強的效果。聲音或聲波發生器，或振動傳感器可以在導管的側壁上安裝成陣列狀，或是安裝在管的周邊上，或是其他壁面邊界流場的壁面上。
本發明也可以在其中流體是導電的，如海水的壁面邊界流體流動系統中實施。在這種情況下，可以通過與壁面相聯或相鄰的變化磁場，或電磁場產生擾動，以便用前述的方式在傳播結構或波模中導入所需的擾動或產生變化。
本發明尤其可用于通氣導管，彎曲通氣導管，管道，彎曲管道，壓縮機，泵和渦輪機以減小湍流。本發明還可用于內燃機的燃燒室，及此類裝置，以使燃燒室中空氣與燃料的混合加強，從而促進燃燒。
如果湍流流體是導電性的，或弱導電性的，如海水的情況，可使用起電裝置來產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生電流，用來進行局部加熱，或與磁場耦合產生局部的電磁力。這些方式亦可用來控制上述的相應波譜。最后，可以使用安裝在壁面上的應變計，壓力傳感器，熱偶，或任何其他微型測量裝置來探測激發傳播波模的開始形成。這些信號可用于熱、聲或電系統的反饋控制環路，以選擇性地增強或破壞所涉及的激發傳播波模。
雖然本發明是針對壁面邊界流體流場中的湍流加以說明的，但本發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動物體附近所產生的湍流。因此，本發明可應用于在空氣中運動的物體(例如在陸地上行駛的車輛，和飛機)，及在水中運動的物體(如船)等。
此外，本發明的上述方法和裝置還可以在導電流體，如海水中的邊界層流場中使用。在這種情況下，可以通過與一物體如在海水中運動的船只關聯的，或在其附近產生的變化磁場或變化電磁場來產生擾動，從而以前述的方式將所需要的擾動導入傳播結構或波模，或使其發生變化。
在一項實際進行的物理實驗中發現，當使用一個相對較弱的發聲器在風洞的測試部分內產生一個聲擾動時，湍流阻力有了實質性的減小(9％)。圖8表示了在實驗中使用的聲共振器與測試部分之間的關系。如圖所標示的，風洞的測試部分大約57cm高、81cm寬、長380cm。發聲器以大約65°角安裝在測試部分的側面上。發聲器采用共振箱的形式，其錐形部分約22cm長，在安裝揚聲器的一湍測量約為61×22cm，與揚聲器相對湍為8×61cm。與錐形部分相接的一段線形部分，一側長約42cm，另一側長約72cm。線性部分的自由湍被封住以形成一個1cm×61cm長的狹縫。狹縫位于與測試部分的壁準直的位置上。
測量是采用一根直的熱電阻線在測試部分壁附近相隔30cm的兩點間進行的。其中一個點位于共振箱的軸上，并深入測試部分約190cm。
在軸點處，對于以自由流動速度流動具有7.7×105雷諾數的流場，湍流邊界層厚度為48mm，用一放大器驅動的揚聲器2降低大約9％的阻力，此揚聲器可產生驅動頻率為170Hz的聲信號。根據“DragReduction in Turbulent Channel Flow by PhaseRandomization”A.R.Handler，E.Levich.和L.SirovichPhys.Fluids，(此文在本申請中用作參考)，在426Hz頻率時，相位在0-360°范圍內被無規則化。也就是說，根據本發明的這些實施例所使用的導入測試部分的聲波擾動的頻率或波長在100-3001*的范圍內(其中1*為一個壁單位)。
此外，還可以使用各種機械裝置將所需擾動導入流體中。例如，在流體流場中展開的細線網在流體與阻擋流體的線的彈性相互作用下可被激發產生所需擾動。
現在參照圖10a和10b描述本發明的一個實施例，其中由兩個裝置同時工作產生兩個分開的擾動，這兩個擾動在局部區域有效地形成了與斜向傳播結構強烈耦合或使之改變的合成擾動場，以增強或減弱傳播結構與旋流圈偶系之間的相互作用，從而在流場中局部增大或減小湍流阻力。在此實施例中，裝置50包括小三角形突起53的條帶52構成的第一裝置51，和由發聲器55構成的第二裝置54，發聲器為一共振箱，在共振箱的自由湍58裝設有揚聲器56。這種技術方案的結果能夠得到產生一對斜向波的一個擾動，用以增強旋流圈，從而使旋流圈有序化，結果降低了湍流阻力。
在上述使用小三角形突起的實施例中，每個小三角形突起具有垂直于中心流動方向的微小底湍，在本例中為4mm，和沿流動方向的微小長度約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壁單位的長度進行測試。當使用小三角形突起排的陣列時，相鄰排之間沿流向的間隔約為2cm，對于這些實施例這大約是600壁單位。對于其他流動狀態，這些尺寸也相應地變化。
現在參照附圖11a和11b描述本發明的另一個實施例。在這個實施例中兩個裝置同時工作用于產生降低流場中湍流阻力的擾動。在此實施例中裝置50包括小三角形突起53的條帶52構成的第一裝置51，和由發聲器55a4及55b構成的第二裝置54。這些發聲器產生的擾動與由突起引起的擾動相互作用，產生一對增強旋流圈的斜向波，從而使旋流圈有序化而減小了湍流阻力。這里為了簡便只詳細描述發聲器55a，但實際上發聲器55b也是一樣的。發聲器55a由一共振箱構成，在其一湍58裝有一揚聲器56。這兩個裝置都用于產生擾動，以形成一對增強旋流圈的斜向波，從而使旋流圈有序化而減小了湍流阻力。
參照附圖12a和12b可說明本發明的又一個實施例，其中又提供了用以產生減小流場中湍流阻力的擾動的兩個同時工作的裝置。在此實施例中，裝置50包括由成排小三角形突起53條帶52的陣列構成的第一裝置51，各條帶垂直于流動方向，其陣列位于構成第二裝置54的發聲器55的傳聲路徑上。
在此例中，發聲器55包括一個共振箱，在其自由湍58裝有一揚聲器56，它可產生用以增強旋流圈的擾動，該擾動產生一對斜向波，以使旋流圈有序化從而減小湍流阻力。
本發明的再一個實施例參照圖13a和13b加以說明，其中也包括用于減小流場中湍流阻力的擾動的兩個裝置。在此實施例中裝置50包括由成排小三角形突起53的條帶52構成的第一裝置51。此實施例中的第二裝置54包括發聲器55a和55b，它們可產生增強旋流圈的擾動，該擾動產生一對斜向波，以使旋流圈有序化從而減小湍流阻力。這里為了簡便只詳細說明了發聲器55a，但實際上發聲器55b也是一樣的。發聲器55a包括一個共振箱，在共振箱的一湍58裝設有一揚聲器56。這些裝置均用于產生一個擾動，該擾動產生一對斜向波，經與小三角帶陣列相互作用增強了旋流圈，使旋流圈有序化從而減小了湍流阻力。
在參照圖10a，圖10b，圖11a和11b，圖12a和12b，及圖13a和13b所描述的實施例中，三角形突起條帶嵌置在風洞壁上，當風洞運行時在所說壁處形成湍流邊界層。現在，最佳尺度如圖14所示，每一三角帶的高度最好在12到15個壁單位范圍內，在這些實施例的條件下約為0.5mm。
在這些實施例中，從風洞一側或兩側壁上發射出的聲波與高出壁面的小三角形突起相互作用，產生與流動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。于是在兩個傾斜角度上的波與旋流圈波模之間發生非線性相互作用。相互作用的結果就是增強了如圖15a、15b和15c中所示類型的旋流圈結構。
現在已經發現最有效的增強旋流圈結構為在這些實驗條件下發聲器的驅動頻率在60到90Hz范圍時所產生的那些。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生的旋流圈結構得到增強并維持較長時間，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。
在這些技術方案中，所產生的聲波波模與小三角形突起帶的結合作用所生成的波模產生擾動，擾動的波長由第一裝置的特征尺寸和由第二裝置產生的聲波的頻率所決定。將擾動施加到湍流邊界層的結果是較好地產生并出現了增強旋流圈波譜。
支持這一結論的實驗證據如圖15a1-15a4所示，其中各個顯示的水平軸為圖10a-11b中測試部分的展向，即垂直于流向的方向，豎直軸是到測試部分底部的距離。因此，這些圖表示與測試部分的壁相鄰的流體穿過與流向垂直的一個截面時速度的變化。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合作用產生的擾動，與不采用聲擾動力的情況相比會導致旋流圈結構的增加。
這兩種擾動的相關參數應如此選擇，以使速度場的總擾動產生一對與自然旋流圈結構發生共振相互作用的斜向波，從而破壞自然流動中旋流圈與傳播結構之間的內部固有的相互作用。這種共振相互作用通常會增加旋流圈結構的穩定性，并且可以經過設計使得旋流圈經向尺度增大，從而降低湍流阻力。這是由于加強的旋流圈結構沿著產生湍流邊界層的物體物理邊界形成旋流圈結構層。這一層顯示出湍流由于運動能量降低而向小尺度演化的過程，進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生對流動速度場的一組擾動，即產生一對共振斜向波形式的總擾動。
在前述的實施例中，當使用一條小三角帶與發聲器結合時，該條帶可以放置在發聲器的上游、下游或相對位置。
在另一個實施例中，可如圖17所示不使用發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。
在又一個實施例中，相對托舉的機翼形突起帶被用來代替三角形突起帶，如圖16a所示。每一對這樣的機翼形突起產生一對相對旋轉的旋流圈，這是源于托舉翼的翼梢旋渦形成的。翼形突起對較佳地應以100-200壁單位為間隔放置從而在流體中產生旋流圈對。以圖11轉換到圖12相同的方式，可如圖16b所示裝設一翼形突起對的陣列。每行翼形對應以約500壁單位分隔放置。圖16a和16b中所示的應用僅僅是不使用發聲器時的無源流場誘導物。
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所示及說明的為機翼形突起，但其他形狀的成對突起也可以被用來產生相對旋轉的旋流圈對。此外，小三角形突起的標稱角度為45°。
在又一個實施例中，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。依時序變化的方式操作這些加熱元件可以產生加強旋流圈結構的類似擾動。
目前所考慮的是用于產生擾動的裝置將根據所需情況和流動一起以減小湍流阻力或增加湍流熱傳送，例如沿管道壁的長度方向等設置這些裝置。
盡管上述實施例是以揚聲器作為聲能源，但應該理解還可以使用自然的聲能源。例如，利用風聲或空腔共振器產生聲能。風聲可以由流體流過如圖18所示的絲帶或絲線產生，或者由流體流過，例如盲孔腔產生。
根據前面對本發明優選實施例的介紹使得本發明的方法和裝置的優點和實現的改進效果十分明顯。在不脫離如權利要求書所述的本發明的構思和范圍前提下還可以作出多種變化和改進。
權利要求
1.用于控制具有一個湍流壁區域的邊界層或其他壁面邊界流體流場中湍流的方法，所說湍流壁區域的特征在于其中旋流圈偶系或條紋的直徑與流強的函數關系，并沿流動方向延展，相干波形的傳播結構以基本恒定的波群速沿與流動方向傾斜的方向傳播，所說方法包括以下步驟將兩個分開的擾動導入湍流壁區域，這兩個擾動在所說區域能夠產生與斜向傳播結構強烈耦合或使之改變的合成擾動場，所說合成擾動場增強或減弱傳播結構與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增加或減弱流場中湍流。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于由流體與壁面上沿垂直于流動方向延伸并直線排布的小三角形突起帶的相互作用產生一個擾動。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，第二個擾動可由把聲能注入所說區域而生成。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于一個擾動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生，所說的小三角形突起陣列由沿流向間隔設置的若干排突起構成，所說的每排突起沿垂直于流動方向的方向延展。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于第二擾動是通過將聲能注入所說區域產生的。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于所說聲能是由發聲器發射的具有不同頻率的聲波，所說頻帶是經過選擇的以使斜向波對所說旋流圈產生有序化作用和增強作用最大。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于一個擾動由流體與一排，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生，第二擾動由依一定時序啟動的加熱元件產生，從而在流場中以加熱流體的斜向波的形式產生合成擾動。
8.如權利要求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的，所說聲波的頻帶是經過選擇的以使斜向波對于旋流圈的有序化作用或增強作用最大。
9.一種用于控制具有一個湍流壁區域的邊界層或其他壁面邊界流體流場中湍流的方法，所說湍流壁區域特征在于其中旋流圈偶系的尺度與流強具有一定的函數關系，并且沿流向延展，具有相干波譜的傳播結構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翼形突起之間相互作用產生的擾動場導入該湍流壁區域，于是可產生增強旋流圈有序化的旋流圈對，從而局部減小流場中的湍流和阻力。
10.一種用于控制具有一個湍流壁區域的邊界層或其他壁面邊界流體流場中湍流的方法，所說湍流壁區域的特征在于其中旋流圈偶系的直徑與流強具有一定的函數關系，并且沿流向延展，具有相干波譜的傳播結構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生的擾動場導入該湍流壁區域，以使擾動與斜向傳播結構強烈耦合并改變所說斜向傳播結構，減小傳播結構與旋流圈偶系之間的相互作用，加強旋流圈的有序化，從而局部減小流場中的湍流和阻力。
全文摘要
具有一個湍流壁區域的邊界層或壁面邊界流體流場中的湍流被加以控制，所說湍流壁區域的特征在于旋流圈偶系沿流向延展，并且斜向傳播結構與旋流圈偶系相互作用，所說控制的方法是通過將兩個分別產生的擾動從局部導入該湍流壁區域，所說的兩個擾動能夠在局部產生可與斜向傳播結構強烈耦合并使之改變的合成擾動，增強或減弱傳播結構與旋流圈偶系之間的相互作用，從而局部增強或減弱流場中的湍流。
文檔編號F15D1/12GK1128866SQ9510852
公開日1996年8月14日 申請日期1995年6月1日 優先權日1994年6月2日
發明者L·西羅維奇, E·萊維奇, L·Y·布朗尼基 申請人:奧列夫科學計算公司