專利名稱：控制邊界層及其它具有約束壁的流體流動場內紊流的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及對邊界層及其它具有約束壁的流體流動場內紊流進行控制的方法和設備。
本文引證了1993年11月23日公布的美國專利5263793和1994年10月11日分布的美國專利5354017。在這些專利公開中，把紊流看作是明顯紊亂中的粘附模式。特別是，在其中所引證的這些專利和出版物中，都把紊流描寫成具有這樣的特征在紊流中，存在著沿流動方向延伸的滾動偶(roll pairs)系統，并且傾斜傳播的構造與這個滾動偶系統相互作用。這些構造很明顯地以一定的組合速度傳播，并且作為產生滾動偶的引發物。其中滾動偶的產生會形成阻力。在這傳播模式中，最重要的很明顯是那些從順流方向以65°角左右的傳播以及那些在50～80°范圍內的包含傳播模式主要能量的傳播。
這些滾動偶，有時被稱作流層，它們相對旋轉，并且位于邊界層附近，位于外部邊緣且超出底層。在動態的流動中，它們會發生相當程度的曲流和動態變化。非常重要的是這些滾動對或流層會突然彎曲或扭曲，從而導致突然使一些壁面附近的流體流動變緩，并使這些緩慢流動的流體進入流體快速流動的主流中。這種突發現象會導致在壁面上形成一個凈阻力。據估計，在流動過程中，有大約20％的時間會發生這種突發現象，但是它卻占壁面阻力的80％。此外，經過對這種流動模式的研究，表明這種滾動的彎曲經歷了從所有具有約束壁的紊流中很典型的暫時變化到穩定的粘附模式。
為了確定這個流層的大小，首先必須認清這個流層是超過壁面附近的流動底層的局部狀態的一種表現形式，而不是壁面的表現形式，也不是遠離壁面的流場的表現形式。局部狀態可以用壁面上的平均摩擦力S、流體密度r、以及流體的粘度m來確定。這些數據可以定義一個局部的大小尺寸或長度規l*(lengthscale)，這個長度規通常稱作一個壁單位(wall unit)，它等同于m/(sr)°。每個滾動偶的主要滾動直徑名義上為50至100壁單位，或100l*至200l*。
術語主要(dominant)在涉及滾動直徑時，意思是在活動模式中，絕大部分的(波動速度的)能量都在具有這個尺寸大小的活動模式中。此外，也存在其它相同的滾動模式，它們有一個大小范圍，而且也包含許多紊流能量。
根據上面引證的兩個專利，中等大小的紊流是通過以下方式來控制的。這種控制方式是，在紊流壁區引入兩個獨立的擾動量，這兩個獨立的擾動量能有效地在當地區域形成一個合成的擾動場，這個合成的擾動場以這樣的方式參與到并改變傾斜傳播構造，這個方式是能使傳播構造與滾動偶系統的相互作用增強或減弱的方式，從而能在當地增強或減弱流動場中的紊滾。其中的一個擾動量可以用被動的方式來形成，例如通過流體與一組三角形的凸起條帶之間的相互作用來形成，其中的三角形凸起條帶沿翼展方向設置在壁面上(即模切流動方向設置)，凸起的頂點朝向流動的上游。其中的第二個擾動量可以用主動的方式來形成，例如，通過主動機械、電動、或流體動力的方式來向當地區域注入能量。
本發明的目的是提供一種用于簡化紊流控制的方法和設備，它是利用了某些類型的通過被動方式所產生的干擾。這些干擾也可通過一些主動的方式來產生。
根據本發明，通過被動的方式，向壁面區域內引入一種干擾，采用的是在壁面上形成二維排列的凸起，或在壁面內形成許多凹坑，以抑制滾動偶的形成或破壞滾動偶，從而可以減小邊界或其它具有約表壁的流體流動場的紊流阻力，這里所說的邊界層或其它具有約束壁的流體流動場具有一個紊流壁面區域，它的特征是在壁面附近，存在滾動偶或流層的自然系統。優選的情況是，這個排列中包括許多凸起，這些凸起成行連續排列，并垂直于流體的流動方向，后面的行相對于前面的行交錯布置，這種布置可以以規則的方式或隨意的方式來布置。每一行中的單元凸起可以采用一致的形式來布置，或采用在一行內隨意向前或滯后布置。
優選的情況是，這些凸起向流體中突進的距離在5至15壁單位，其中壁單位(l*)在前面已經作出定義；并且這些凸起呈V形，其頂點朝向流體流動方向的上游(即朝向流體流來的方向)。凸起的頂角的優選范圍是50°～90°。在每行中凸起之間的間距的優選范圍是每100至300壁單位內設置一個凸起，在流體流動方向上凸起之間的間距的是每200～400壁單位設置一行。優選的情況是，在流動方向上凸起的尺寸大小應在150～250壁單位內。
利用相同類型的凸起也能增強混合(即增大流動阻力)，但需要把這些凸起以不交錯的、統一的行和列來布置。
下面參照附圖，并通過例子來描寫本發明的實施例。
在附圖中
圖1是一個斷面圖，表示具有約束壁的流體流動，這個圖是朝垂直于流動方向看去的斷面圖；圖2是圖1中所示流體流動場的平面圖，表示具有1字形起伏邊界壁面周圍的流層或滾動；圖3是穿過壁面的剖面圖，表示邊界的起伏狀況；圖4是這種起伏狀況的一種改進形式；圖5是表示根據本發明的包含許多凸起的壁面；圖6是沿圖5中6-6線剖開的剖面圖。
現在參照附圖來進行說明，參考數字10表示一個具有約束壁的紊流流動場，它包括壁12，用于限制流體13，在這流體13中包含有，以相對旋轉的流體的滾動14、16。這些滾動有時被稱作流層，它們的軸線一般位于流體的流動方向上，這個方向在圖1中是指向指內的，在圖2中由箭頭17所指。簡單地說，這些相對旋轉的滾動的長度遠比它們的直徑(大約1000l*)大。如上所述，主要滾動的尺寸大小大約為每對滾動的100l*至200l*。
在形成完全的紊流流動中，這些局部的滾動結構在整個壁面區域附近向下游移動，它們會發生破裂、彎曲，并且最終迸發出來(即從壁面區域噴出來)。在上面所引證的專利中，認為流動中的傳播模式的粘附構造與這些滾動的粘附構造之間的相互作用是滾動進發出來并與流體主流中快速流動的流體相混合的基礎，反之亦然。這些專利中提供了被動的和主動的機構來控制波動傳播模式的引發因素，這些引發因素被認為參與了在具有約束壁的紊流流動中的滾動模式的進發。
根據引證的專利中的發明，用于控制波傳播模式的一種被動機構是對形狀作出的一些改變，例如是包含紊流流動的壁面上的槽、起伏等。例如，形狀的改變可以通過在壁面上刻槽或在把具有符合要求形狀的粘層粘附的壁面上來實現。當這些形狀的改變是以起伏的形式來實現時，為了把紊流的最高峰包括進去，這些起伏的幅度應在5～20壁單位范圍內。波長或典型的起伏的節距取決于紊流控制的目標，這些起伏的方向，即波峰之間的波谷的方向應從順流方向傾斜15～30°。那就是說，這些起伏的傳播方向應從順流方向大約有60～75°左右。
圖2表示滾動14、16的平面圖；疊加在這些滾動上的是一些波。這些波在箭頭18所指的方向上傳播(傳播模式)，并且與流動方向17形成一個角±θ。如上所指，對于具有主要能量的波，θ角位于50～80°的范圍內。為了說明傳播方式的可能的雙向角度，這些起伏采用圖2中所示的人字形模式20的形式或采用網狀或滾花模式。
根據所引用的專利，為了提高混和程度以及增加熱傳導，(即增加紊流)，從而促進產生進發，則應把壁面嚴格按如圖3所示和正弦波的模式來安排。為了能與引發模式相諧調，波長ρ最好在100～300壁單位范圍內，波幅a最好在15～20壁單位。
為了減小阻力，壁面的起伏應做成一定的模式(條紋)，使它能在波中產生相干擾，所采用的方式類似于上面提到的自由相。實現這個目的一種方法是通過共振波長產生“擾亂”模式，并且包含適當數量的不成比例的正弦波，波長逐漸減小。一個斷面設計方案的模型如圖4所示。
根據本發明，采用被動的方式，向約束壁區域內引進一個紊流，使之提高或抑制滾動偶的形成，從而增大或減小流場中的紊流，這樣就能對約束壁表面上的紊流阻力進行控制了。當這種引進的紊流促進滾動偶形成時，壁面上的阻力就增大，當這種紊流抑制滾動偶形成時，阻力就減小。
引進這種紊流的優選方式是在約束壁上形成凸起條紋，或在平整的表面上刻許多凹坑。這些凸起或凹坑的尺寸大小以及這些凸起或凹坑的模式能抑制促進滾動偶的形成。
現在參照圖5進行說明，參考數字50表示根據本發明的一種裝置，用于抑制邊界層或其它具有約束壁的流體流場中滾動偶的形成，其中流體的流向如箭頭53所指，在約束壁52的表面51附近有一個紊流壁區域。流體流動方向如箭頭53所指。運用在表面51上的是一種裝置，這種裝置通過被動的方式向壁面區域引進一種用于抑制滾動偶形成的紊流。這種裝置最好是由表面51上凸起55形成一個二維陣列54。或者，這種裝置也可采用在壁面51上形成凹坑的形式。
伏選的情況是，陣列54采用下面的方式來布置眾多的凸起成行排列，所排成的行垂直于流體的流動方向，后面行中的凸起相對于前面行中的凸起交錯排列、規則地排列成自由排列。優選的情況是，這些凸起呈V形，并且它們的頂點朝向與流動方向相反的方向。也就是說，凸起的頂點56面向流體的流動。從凸起的頂點伸展開的兩側可以是直的，如圖中所示，也可以是以凹進或凸出的曲線形。比外，這些凸起的頂角最好在50～90°范圍內。
應用本發明的凸起模式時，可以在比例上進行改變。例如用于邊界層的例子是，它應用于飛機或機身上。為了增大邊界層，在順流距離動力減慢1/10；比例大小改變。
如圖5所示，在流動方向上凸起的間距(即條紋的行距)為“a”，在流動方向上凸起的尺寸大小為“b”。在垂直于流動方向上(即翼展方向)這些凸起的尺寸大小為“c”。在模切于流句的方向上(即在行方向上)，這些凸起的間距為“d”；在后行與前行之間的錯開的距離(即列之間的距離)為“e”。這些凸起的高度或厚度為“f”。
在一種低速的風道內，已經做過實驗對特定的壁面模式進行了測試。風道中所測試部分的大小為5.5cm高，75cm寬，850cm長。在測試段前150cm處有一個安放室。典型的實驗雷諾數在10800至18000范圍內，中線上的流速為6～10米/秒。在實驗中，這種壁面模式只用在被測試段的底板上。
表A列出了被測試壁面模式的尺寸大小，單位是毫米，這種壁面模式使得阻力減小；表B列出了使阻力增大的被測試的尺寸大小。方案2中，錯位距離“e”被固定或規則，以及錯位距離是任意的，其中e值表示一個平均值。方案3和4是在e固定的情況下測定的。
表A(尺寸單位毫米)尺寸 方案2a 13.9b 10c 9.1d 13.5e 6.75f 0.25
表B(尺寸單位毫米)尺寸 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7a36.531.310.010.118.3b15.010.015.07.3 7.3c12.57.7 12.56.6 6.6d19.710.519.79.8 9.8e0 0 0 0 0f0.250.250.250.250.25采用方案2，錯位是任意的，(即隨意交錯排列模式)，在以下所示的不同流速時，使阻力減小。所得到的結果如下(速度為7m/s時，一個壁單位大約等于0.05mm)V(米/秒) 阻力變化5.86 -9.95％7.03 -13.5％8.39 -8.1％9.48 -6.7％10.05-6.5％當錯位距離固定時(即如圖6所示那樣統一的交錯模式)，會導致阻力減小，但在相同的實驗條件下，它比自由交錯排列時小很多。這種自由布置可以應用在壁面凸起的高度和V形模式。
下面是取得的混合結果(即 阻力增大)V(米/秒) 6 78阻力(％) +42.5 +45.0+47.0 方案3+41.2 +42.7+43.5 方案4在這種混合情況中，后行后行的凸起之間的錯距“e”為零。換句話說，就是當這些壁面凸起不交錯排列時，混和效果被提高了。這種性質的模式適合于熱交換表面等。
當這些凸起交錯布置時，本發明可以用于任意的流體設備，如任何斷面的管道，也可以用于容器，如機身、艇、船等，也可用于機翼，也可用于上面所描述實驗中的流體管道。此外，本發明也可以用于主動的擾亂中，它是通過利用MEMS，壓電、相應大小的電水力(electohydrodynamic)裝置來實現，把它設置在端部，使產生的擾亂與滾動偶相互作用。
在每行中的V形單元也可以隨意設置。也就是說，每一行中的單元的位置相對于中線上的單元，可以向前后端后一些布置。對這兩種隨意布置的形式，在實際應用中需在一定量的隨意設置后，會重復這些模式的。
上面所給的阻力減小的結果是把帶條紋的材料僅用在風道的被測試段的底部時所得到的實驗結果。如果把條紋材料用在管道的整個壁面，則所帶來的阻力減小將超過簡單從直覺上就可以看到的阻力降低的兩倍。在優化的條件下(在例子中給的是7m/s)，阻力降低可超過30％。如果在整個壁面上采用合適的條紋模式，則可以獲得使混和效果提高的效果。
通過前面對本發明的最佳實施例進行述，可以明顯地看出本發明中的方法和裝置的優點和改善的效果。在不脫離權利要求中描述的本發明的實質和范圍，可以對本發明作出各種改變。
權利要求
1.一種用于對邊界層或其它具有約束壁的流體流動場內紊流進行控制的方法，其中的邊界層或具有約束壁的流體流動場在壁面附近具有一個紊流壁面區域，這個紊流壁面區域的特征是在壁面附近有滾動偶或層流系統，它沿流動方向延伸，所說的方法包括利用被動方式向所說的壁面區域引進一個紊流來提高或抑制滾動偶的形成，從而增大或減小流動場內的紊亂。
2.一種用于增大邊界層或其它具有約束壁的流體流動場內紊流的方法，所說的邊界層或具有約束壁的流體流動場具有一個紊流壁面區域，這個紊流壁面區域的特征是在壁面附近有一個滾動偶或層流的系統，所說的滾動偶或層流的直徑在功能上與流動的強度有關，這個滾動偶或層流沿流動方向延伸，所說的方法包括向所說的壁面區域引入一個被動的擾亂來促進所說的滾動偶的形成。
3.用于降低約束壁表面附近的流體流動場的紊流壁面區域內的紊流阻力的設備，其中所說的紊流壁區域的特征是在壁面附近有一個滾動偶或層流系統，所說的滾動偶或層流具有與流體流動的力量功能上相關的直徑，所說的設備包含一個用于向所說的壁面區域引進一個被動擾亂的裝置，所引進的被動擾亂可以抑制所說的滾動偶的形成。
4.根據權利要求3所述的設備，其特征在于所說裝置的形式是在所說的壁面上形成一個二維的凸起陣列，或在壁面內形成凹流。
5.根據權利要求3所述的設備，其特征在于所說的陣列包括在垂直于流體流動方向上以連續的列布置的眾多凸起，后行中的凸起與于前行中的凸起交錯排列。
6.根據權利要求5所述的設備，其特征在于所說的凸起是規則地交錯交錯布置。
7.根據權利要求3所述的設備，其特征在于所說的凸起是隨意交錯的。
8.根據權利要求5所述的設備，其特征在于所說的凸起向流體中凸進的距離為5至15壁單位，其中一個壁單位為粘度除以密度和剪切力的平方根所得的值。
9.根據權利要求8所述的設備，其特征在于所說的凸起呈V形，這些凸起的頂點朝向流體流動方向的上游。
10.根據權利要求9所述的設備，其特征在于所說凸起的頂角在50～90°范圍內。
11.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在行內，凸起之間的節距在一個凸起為200～300壁單位的范圍內。
12.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在流動方向上，這些凸起的節距在每200～400壁單位一行的范圍內。
13.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在流動方向上這些凸起的尺寸大小在150～250壁單位的范圍內。
14.用于使邊界層或其它具有約束壁的流體流動場內紊流增大的設備，其中的邊界層或具有約束壁的流體流動場具有一個紊流壁區域，這個區域的特征是在約束壁附近，有一個自然的滾動偶或滾動層流的系統，所說的滾動偶或層流具有在功能上與流動強度有關的直徑，并且這個滾動偶或滾動層流沿流動方向延伸，所說的設備包括一個用于向所說紊流壁區域內引入一個被動擾亂的裝置，這個被動擾亂可以促進所說滾動偶的形成。
15.用于增大壁面附近流體流動場的紊流壁區域內的紊流阻力的設備，其中所說的紊流壁區域的特征是在壁面附近有滾動偶或層流的自然系統，所說的滾動偶或層流具有在功能上與流動強度相關的直徑，所說的設備包括用于向所說的紊流壁區域內引進一個被動擾亂的裝置，它可以促進所說滾動偶的形成。
16.根據權利要求15所述的設備，其特征在于所說的裝置的形式是在所說的壁面上形成凸起的二維陣列，或在壁面內形成凹坑。
17.根據權利要求15所述的設備，其特征在于所說的陣列包括在垂直于流體流動方向上連續行的形式布置的眾多凸起，后行中的凸起與前行中的凸起相互對齊。
18.根據權利要求17所述的設備，其特征在于所說的凸起向流體中凸進的距離在5～15壁單位范圍內，其中一個壁單位為粘度除以流體密度和剪切力的平方根所得的值。
19.根據權利要求18所述的設備，其特征在于所說的凸起為V形，凸起的頂點朝向流動方向的上游。
20.根據權利要求19所述的設備，其特征在于所說的凸起的頂角在50～90°范圍內。
21.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在每行內，凸起的節距在每200～300壁單位內設置一個凸起的范圍內。
22.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在流動方向上凸起的節距在每200～400壁單位內設置一行的范圍內。
23.根據權利要求9所述的設備，其特征在于在流動方向上凸起的尺寸大小在150～250壁單位范圍內。
全文摘要
通過被動的方式向紊流壁區域內引進一個干擾來促進或抑制滾偶的形成,從而局部地增強或減小流動場中的紊流,從而實現對邊界層或具有約束壁的流體流動場內的紊流進行控制。其中的邊界層或流動場具有一個紊流壁區域,在自然狀況下,它在壁面附近有一個滾動偶或層流的系統。
文檔編號F15D1/00GK1186268SQ9712575
公開日1998年7月1日 申請日期1997年12月9日 優先權日1996年12月9日
發明者L·西羅維奇, L·Y·布洛尼基, E·拉維奇, S·卡爾森 申請人:奧列夫科學計算公司