專利名稱：層流系統(tǒng)的穿孔表層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)邊界層空氣的吸入進(jìn)行層流控制的穿孔表層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已知，在一個(gè)物體的表面上流動(dòng)的流體的邊界層的層流條件可以通過(guò)不同的裝置被影響。而且還已知，使邊界層的層流條件穩(wěn)定可以減小流體與物體之間所形成的表面摩擦。這在例如飛行器制造領(lǐng)域是十分重要的，邊界層的層流的改進(jìn)以及所形成的較小表面摩擦能夠在飛行器運(yùn)行過(guò)程中獲得潛在的燃料節(jié)省。
為此，這些年來(lái)已經(jīng)對(duì)通過(guò)穿孔表面的表面吸入使在表面上或相對(duì)于表面流動(dòng)的流體的層流邊界層穩(wěn)定進(jìn)行了廣泛研究。在商用飛行器領(lǐng)域，已知的層流控制裝置必須在僅僅一個(gè)條件下即巡航飛行條件下工作才能具有最好效率，因而被設(shè)計(jì)成主要用于這種工作條件。
由于可以通過(guò)為此目的形成例如具有所需尺寸、圖案和間隔的穿孔來(lái)實(shí)現(xiàn)表面特征的控制，優(yōu)選地是通過(guò)為此目的的穿孔表面而不是多孔表面進(jìn)行表面吸入。已知可通過(guò)機(jī)械鉆孔、蝕刻、電子束鉆孔或激光束鉆孔形成穿孔。通常的現(xiàn)有穿孔設(shè)計(jì)提供這樣的穿孔，其基本上是具有圓形平面或型鋼斷面的小孔，其直徑遠(yuǎn)小于在表面上流動(dòng)的邊界層的厚度。穿孔或孔的典型直徑在50到100μm的范圍。相鄰穿孔之間的典型現(xiàn)有間隔是從200到5000μm的范圍。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，孔或穿孔通常在表面的寬廣部分上形成規(guī)則并空間上重復(fù)或類似(例如，平移地不變)的圖案。這種圖案的示例是西洋跳棋圖案、或是線性排列的孔圖案，這些孔沿著每排具有大體上相等的孔到孔的間隔和大體上相等的排到排的間隔。為了機(jī)加工的方便，穿孔密度通常保持恒定，但空間變化的孔隙度的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被討論。例如，美國(guó)專利5263667(Horstman)描述了具有空間變化穿孔密度的線性穿孔圖案，以便在變化的外部壓力區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大體上恒定的吸入速度。
如下的美國(guó)專利也大體上涉及通過(guò)吸入進(jìn)行邊界層控制的領(lǐng)域5884873、5889416、6050523、6216982和6415510。
現(xiàn)有技術(shù)中描述的所有已知穿孔圖案都是這樣一類穿孔圖案，即它們不是由有關(guān)在穿孔表面上流動(dòng)的邊界層的結(jié)構(gòu)、形式、流動(dòng)狀態(tài)或尤其是流動(dòng)不穩(wěn)定性的任何信息決定，或者不反映或包含這種信息。正如本發(fā)明人所認(rèn)識(shí)到的，由于這種流動(dòng)不穩(wěn)定性的消除是層流控制系統(tǒng)的主要目的，現(xiàn)有表面吸入系統(tǒng)的所有現(xiàn)有或暗示的穿孔圖案產(chǎn)生效率低下或具有功能障礙的層流控制結(jié)果。效率低下的基本原因在于控制邊界層不穩(wěn)定性的機(jī)理。
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，在飛行器的后掠翼、后掠垂直穩(wěn)定翼、或后掠水平尾翼上形成的邊界層流具有三個(gè)速度分量，并因而稱作三維(3-D)邊界層流。盡管在兩維邊界層中的層流湍流過(guò)渡是由稱作Tollmien-Schlichting波(TS波)的行波來(lái)控制，三維邊界層對(duì)于穩(wěn)定的橫流旋渦(CF旋渦)是高度不穩(wěn)定，橫流旋渦控制三維流動(dòng)中的層流湍流過(guò)渡過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)顯示，在3-D邊界層中的現(xiàn)有穿孔圖案具有兩種相反影響，即，由于平均速度分布的變化而穩(wěn)定，以及由于吸入分布的變化和不均勻性導(dǎo)致穩(wěn)定的橫流旋渦的激勵(lì)而引起的不穩(wěn)定。在這方面，可以參見(jiàn)1999年第35期航空科學(xué)進(jìn)展第363-412頁(yè)上H.Bippes的文章“由橫流不穩(wěn)定性控制的3D邊界層中過(guò)渡的基本實(shí)驗(yàn)”、以及2000，Springer，1999，9月13-17在Sedona AZ的國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)論文集層流湍流過(guò)渡中D.Arnal，A.Seraudie，J.P.Archambaud的“表面粗糙性和吸入對(duì)后掠翼邊界層的吸收性能的影響”。已經(jīng)觀察到，施加到3-D邊界層上的吸入的量有一個(gè)清楚的界限，超過(guò)該界限，在每個(gè)孔附近的流動(dòng)被充分扭曲，以使流動(dòng)經(jīng)歷向湍流的直接和不可恢復(fù)的過(guò)渡。這種效果稱作“過(guò)吸入(oversuction)”。在這方面，可以參見(jiàn)2000，Springer，1999，9月13-17在Sedona AZ的國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)論文集層流湍流過(guò)渡中P.Wasserman和M.Kloker的“3-D邊界層流中的橫流旋渦的形成和控制的DNS-研究”。
在任何吸入水平，孔圖案對(duì)吸入分布中的不均勻性具有決定性的影響。對(duì)于低于“過(guò)吸入”水平的吸入強(qiáng)度值，本發(fā)明人已經(jīng)描述了用于確定最有效刺激不穩(wěn)定邊界層模式的表面孔分布的波數(shù)分量的公式。參見(jiàn)2000年11月7日的物理流體第12卷1799-1809頁(yè)F.P.Bertolotti的“三維邊界層的吸收性與局部壁粗糙性和吸入的關(guān)系”。在大多數(shù)現(xiàn)有情況下，孔到孔的間隔小于被放大的擾動(dòng)的最小波長(zhǎng)。假定空間中的十分均勻的壁吸入分布的理論結(jié)果顯示，考慮到上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TS波和CF旋渦都通過(guò)吸入被強(qiáng)烈穩(wěn)定。作為在吸入分布圖案中引入不需要和有害的變化的各種現(xiàn)象的結(jié)果，這種原因被追溯到實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際吸入分布的變化或不均勻性，這種原因被追溯到實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際吸入分布的變化或不均勻性。即，本發(fā)明人已經(jīng)考慮到，如下現(xiàn)象引入了吸入分布圖案的不需要和有害的變化。
a)整個(gè)層流控制效率對(duì)其高度敏感的、不可避免的鉆孔或機(jī)加工不準(zhǔn)確性和公差；b)在運(yùn)行過(guò)程中由污染物或顆粒物堵塞穿孔；c)由支撐穿孔表層的結(jié)構(gòu)阻塞穿孔；d)在給穿孔表層施加吸入的內(nèi)吸入室中的吸入不均勻性；e)外部壓力的弦向變化；以及f)由于大的吸入速度導(dǎo)致穿孔附近的流動(dòng)變形。
在上述現(xiàn)象中，現(xiàn)象a)、b)和c)引入穿孔幾何形狀的變化，而d)、e)和f)引入吸入強(qiáng)度和流動(dòng)狀態(tài)的變化。所有這些現(xiàn)象引入吸入圖案的有害變化。而且，這些現(xiàn)象可以相互影響。例如，當(dāng)在穿孔表層下只有單獨(dú)一個(gè)或者只有幾個(gè)吸入氣室(plenum)被使用時(shí)，現(xiàn)象e)強(qiáng)烈地影響表層上的壓降，并可能導(dǎo)致在一些位置發(fā)生“過(guò)吸入”，從而產(chǎn)生根據(jù)現(xiàn)象e)的流動(dòng)變形。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明旨在單獨(dú)或者共同地實(shí)現(xiàn)如下目的為采用吸入的層流控制裝置提供穿孔形狀和穿孔圖案，它克服了如下現(xiàn)象導(dǎo)致的有害或不利影響a)不可避免的鉆孔或機(jī)加工誤差b)穿孔堵塞；c)由支撐穿孔表層的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的阻塞；d)在內(nèi)吸入室中的吸入不均勻性；和e)由于大的吸入速度導(dǎo)致的穿孔附近的流動(dòng)變形；提供一種穿孔表層結(jié)構(gòu)，該穿孔表層結(jié)構(gòu)補(bǔ)償外部壓力的弦向外部變化；提供一種穿孔表層結(jié)構(gòu)，該穿孔表層結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度、并且避免穿孔的巨大弱化效果；以及提供一種穿孔表層結(jié)構(gòu)，該穿孔表層結(jié)構(gòu)具有高的熱導(dǎo)率。
本發(fā)明還旨在避免或克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、摘要和附圖所顯示的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的是通過(guò)一種層流控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。層流控制裝置包括穿孔表層，穿孔表層具有以圖案形式布置的多個(gè)穿孔，該圖案具有在預(yù)定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量的空間譜。術(shù)語(yǔ)“基本上沒(méi)有能量”必須相對(duì)于由于不可避免的機(jī)加工不準(zhǔn)確性等產(chǎn)生的背景平均“噪聲”能級(jí)之上的附加峰值能量被理解。優(yōu)選地，這些預(yù)定波長(zhǎng)是預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的波長(zhǎng)，并且尤其是在穿孔表層之上流動(dòng)的邊界層中出現(xiàn)的最不穩(wěn)定擾動(dòng)的波長(zhǎng)，特別是在層流控制裝置的設(shè)計(jì)工作條件下，諸如在相關(guān)飛行器的飛行器巡航飛行條件下。
本發(fā)明的穿孔的圖案和形狀的優(yōu)選實(shí)施例或模式包括多個(gè)縱向延伸穿孔區(qū)域或多個(gè)穿孔排構(gòu)成的多個(gè)組，它們相互間隔開(kāi)并且在這里被稱作“束”。更優(yōu)選地，這些縱向延伸束大體上與具有穿孔的表面例如機(jī)翼的穿孔表層的前緣平行地(例如，在10°更優(yōu)選地在5°范圍內(nèi)平行地)排列?！按篌w上平行”也允許束從機(jī)翼根端到末端相對(duì)于彼此會(huì)聚，例如沿著機(jī)翼的錐度。所述多個(gè)束通過(guò)未穿孔區(qū)域橫向地相互間隔開(kāi)。
每個(gè)束包括多個(gè)穿孔，多個(gè)穿孔布置成產(chǎn)生每個(gè)相應(yīng)束的空間譜，空間譜在預(yù)定波長(zhǎng)具有減少的能量或優(yōu)選地基本上沒(méi)有能量(在一般或平均“噪聲”能級(jí)之上)。這尤其是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，布置特定束的多個(gè)穿孔使得通過(guò)該束的幾個(gè)穿孔的吸入在流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)在這些預(yù)定波長(zhǎng)的相消干擾相互消除或者至少相互相消地減少。優(yōu)選地，這些波長(zhǎng)是在穿孔表層之上流動(dòng)的邊界層中出現(xiàn)的最不穩(wěn)定擾動(dòng)的波長(zhǎng)。優(yōu)選地，每個(gè)穿孔具有細(xì)長(zhǎng)微小狹槽的形狀，微小狹槽具有在100到3000μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度和50到250μm范圍內(nèi)的寬度。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例特征，層流控制裝置還包括支撐結(jié)構(gòu)，它位于穿孔外部表層下方并且支撐穿孔外部表層。支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選地僅在多個(gè)穿孔的相應(yīng)束之間的未穿孔表面區(qū)域與穿孔外部表層在結(jié)構(gòu)上成一體，例如通過(guò)結(jié)合或者連接到穿孔外部表層上。在特定優(yōu)選實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)還包括內(nèi)部穿孔部件，諸如在穿孔外部表層下方并與其間隔開(kāi)、且與支撐肋在結(jié)構(gòu)上成一體的穿孔內(nèi)部板部件，以形成分別由穿孔外部表層、相鄰一對(duì)支撐肋以及內(nèi)部穿孔部件界定的多個(gè)室。內(nèi)部穿孔部件具有次級(jí)穿孔，它給內(nèi)表面提供預(yù)定和可變的孔隙度，以補(bǔ)償外部壓力變化，從而在所有弦向位置提供穿過(guò)穿孔表層表面的所需吸入速率。特別地，吸入作用到內(nèi)部穿孔部件與所述穿孔外部表層相對(duì)的一側(cè)，從而給所述多個(gè)室施加吸入，這又給穿孔外部表層的主要穿孔施加吸入。內(nèi)部穿孔部件和穿孔外部表層分別以任何合適方式與支撐肋結(jié)合或連接，但優(yōu)選地是成一體形成，例如通過(guò)整體擠壓成形。


為了更清楚地理解本發(fā)明，以下將參照附圖結(jié)合示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明所體現(xiàn)的機(jī)翼的前緣的一部分的示意立體圖，顯示了用于參照的坐標(biāo)系；圖2是穩(wěn)定性示意圖，顯示了沿著巡航的代表性飛行器的機(jī)翼表面翼展方向的波數(shù)與拱長(zhǎng)的關(guān)系；圖3是一個(gè)示意圖，顯示了與圖2的示例相關(guān)的在選定弦向位置的波數(shù)散布關(guān)系；圖4是示意平面圖，顯示了具有圓形形狀的典型現(xiàn)有穿孔或孔、以及根據(jù)本發(fā)明的具有長(zhǎng)方形形狀的典型微小狹縫穿孔；圖5是三種示例性吸入穿孔排布的速度大小的圖解表示，即，在情況(a)和情況(b)中的單排現(xiàn)有孔、以及在情況(c)中的單排本發(fā)明的微小狹縫；圖5A顯示了與圖5相關(guān)的三種吸入穿孔排布的傅里葉變換；圖6是根據(jù)本發(fā)明的幾排微小狹縫穿孔的一個(gè)束或縱向條的示意平面圖，也以放大圖顯示了微小狹縫的長(zhǎng)軸沿著束的縱向方向定位；圖6A是與圖6類似的示意圖，顯示了其長(zhǎng)軸相對(duì)于束的縱向方向以預(yù)定非平行和非垂直的傾斜角度定向的微小狹縫；圖6B是與圖6和6A類似的示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的以空間圖案布置的圓形微小孔的布置；圖7是由如圖6所示根據(jù)本發(fā)明的單一束微小狹縫產(chǎn)生的譜的雙傅里葉變換的圖解表示；圖7A是與圖7類似的圖解表示，但顯示了由根據(jù)圖6A定向的單一束微小狹縫產(chǎn)生的譜的雙傅里葉變換；圖8一個(gè)三維圖解表示，顯示了如在該圖頂部平面中所示的現(xiàn)有吸入孔圖案和分布的空間譜；圖9是大體上與圖7A對(duì)應(yīng)的譜圖，針對(duì)與如在該圖頂部平面中所示的本發(fā)明微小狹縫穿孔相關(guān)的特定示例性穿孔參數(shù)；圖10是具有多束平行間隔的微小狹縫的飛行器機(jī)翼前緣區(qū)域一部分的示意立體圖，微小狹縫以不同定向布置在不同弦向位置，即如該圖的放大圖所示，分別垂直于潛在流線的局部定向布置在每個(gè)弦向位置；
圖11是包括外部穿孔表層的本發(fā)明機(jī)翼結(jié)構(gòu)以及包括縱向肋的支撐結(jié)構(gòu)的一部分的示意性斷面圖；以及圖12是與圖11類似的示意斷面圖，但顯示了根據(jù)本發(fā)明的機(jī)翼結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例，而且還包括用于壓頭補(bǔ)償?shù)拇┛變?nèi)板部件。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合有關(guān)機(jī)翼的示例詳細(xì)描述本發(fā)明，機(jī)翼諸如是飛行器的垂直尾翼或主升力翼，它們表示本發(fā)明的高度有效和優(yōu)選的應(yīng)用。作為如下討論的參照，圖1示意地顯示了諸如飛行器的升力翼等的機(jī)翼部分的代表性空氣動(dòng)力繞流體40的基本幾何形狀?？諝鈩?dòng)力繞流體40具有外部表層100和前緣50。當(dāng)空氣動(dòng)力繞流體40或尤其是機(jī)翼40穿過(guò)空氣時(shí)，自由流氣流撞擊并擦過(guò)空氣動(dòng)力繞流體40，從而在外部表層100上形成邊界層氣流?？諝鈩?dòng)力繞流體40并且尤其是其前緣50以向后的掃描角相對(duì)于自由流氣流定位，結(jié)果使得氣流沿著前緣50附著，以形成沿著前緣平行延伸的直線形式的流線62。
供參考，圖1還顯示了一個(gè)坐標(biāo)系，“z”表示沿著前緣的方向(翼展方向)，“x”表示與前緣垂直的方向(弦向方向)。由于上述的后掠形，直接沿著前緣50遠(yuǎn)離附著線62撞擊的邊界層外側(cè)的氣流(潛流)流線形成如彎曲虛線60所示的彎曲流動(dòng)路徑。
而且還表示在流動(dòng)型式中的是增強(qiáng)的橫流旋渦，使波數(shù)矢量k局部大體上垂直于自由流流線60的彎曲路徑定向。波數(shù)矢量k是由具有沿著翼展方向z的波數(shù)β、和具有沿著弦向方向x的波數(shù)αr構(gòu)成。對(duì)于每個(gè)β值，αr的值是由波散射關(guān)系給定，對(duì)于在給定機(jī)翼的每個(gè)相應(yīng)弦向位置的相應(yīng)流動(dòng)狀態(tài)，波散射關(guān)系可由公知方式通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算確定。
從與圖1有關(guān)的這些基本點(diǎn)和考慮開(kāi)始，本發(fā)明的優(yōu)選特征將在如下討論中首先在理論上形成，然后將描述其特定具體示例和應(yīng)用。
圖2和3顯示了對(duì)于代表性示例飛行器機(jī)翼在巡航速度和飛行高度飛行的情況下，隨著弦向方向位置(即，沿著機(jī)翼表面的拱長(zhǎng))的變化，穩(wěn)定橫流(CF)旋渦的穩(wěn)定和不穩(wěn)定翼展方向波長(zhǎng)、以及波數(shù)的相應(yīng)區(qū)域。實(shí)際數(shù)值僅僅是示例性的、并且對(duì)于將要描述的概念和方法是次要的。因而，更具體地，圖2顯示了隨著流動(dòng)的翼展方向波數(shù)β相對(duì)于前緣50附近的弦向位置x/c的變化，穩(wěn)定的橫流擾動(dòng)的穩(wěn)定性圖。也顯示了以毫米表示的流動(dòng)的穩(wěn)定橫流模式的波長(zhǎng)。在這個(gè)示例中，當(dāng)向下游傳播時(shí)，穩(wěn)定橫流模式的翼展方向波數(shù)β基本上保持恒定，而其弦向方向波數(shù)αr變化，使得波數(shù)矢量k保持大體上垂直于(在5到10°)自由流流線60(參看圖1)。圖3顯示在了在選定下游位置β與αr之間的分散關(guān)系。圖2和3一起表示了本發(fā)明構(gòu)造所需的波數(shù)信息。
如上所述，鉆孔和機(jī)加工不準(zhǔn)確性或公差以及穿孔堵塞對(duì)譜即穿孔周圍的吸入流動(dòng)狀態(tài)的波長(zhǎng)分布具有顯著影響。對(duì)于為了說(shuō)明這些效果的本發(fā)明顯示示例，采用如下相當(dāng)保守的公差鉆孔+/-15μm，以及孔中心位置+/-20μm。此外，根據(jù)在風(fēng)洞和飛行器應(yīng)用中使用之后對(duì)穿孔表層的檢查，發(fā)現(xiàn)大量孔被顆粒材料和污染物所堵塞。對(duì)于本發(fā)明示例，假定10％到14％的保守堵塞水平(即，10個(gè)孔中有一個(gè)到7個(gè)孔中有一個(gè)被堵塞)。
這些機(jī)加工公差加上堵塞引入了所有波長(zhǎng)的吸入分布變化。由于在這些波長(zhǎng)的能量與通過(guò)孔或穿孔的峰值吸入速度成比例，降低鉆孔不準(zhǔn)確性的有害影響的最簡(jiǎn)單方式是增大整個(gè)孔隙度并因而減小給定總吸入氣流的峰值吸入速度。關(guān)于堵塞，使用狹縫而不是圓孔將減少堵塞問(wèn)題，但具有相當(dāng)大長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)狹縫或狹槽是有害的并且通常不被接受，因?yàn)樗鼈兇蟠鬁p小了外部表層承受應(yīng)力的能力。
本發(fā)明通過(guò)采用“微小狹縫”或“微小狹槽”200(參見(jiàn)圖4)克服上述問(wèn)題。本發(fā)明的微小狹槽200具有大體上長(zhǎng)方形平面形狀，在本發(fā)明示例中其長(zhǎng)度大約是250μm，寬度大約是70μm。大體上，根據(jù)本發(fā)明的微小狹槽的尺寸包括大約在100到3000μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度，更優(yōu)選的實(shí)際最大長(zhǎng)度為500μm，優(yōu)選最大長(zhǎng)度是200到300μm；以及大約在50到250μm范圍內(nèi)的寬度，優(yōu)選寬度位于該范圍下端，例如不超過(guò)100μm或不超過(guò)80μm。總的孔隙度即開(kāi)孔面積相對(duì)于總表面面積的比優(yōu)選等于大約10％，但實(shí)際優(yōu)選地大約是5％。與也顯示在圖4中的現(xiàn)有技術(shù)的小圓形孔相比，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選使用的微小狹槽200提供更大的開(kāi)口面積，并因而適合提供更高一些的孔隙度水平，而細(xì)長(zhǎng)形形狀也使比小圓形孔更加少地被堵塞。另一方面，微小狹槽的長(zhǎng)度被限定，以避免穿孔外部表層的應(yīng)力承受能力大大減小。隨著采用更長(zhǎng)狹槽，可能出現(xiàn)應(yīng)力承受能力大大減小的問(wèn)題。
進(jìn)一步開(kāi)發(fā)本發(fā)明，通過(guò)首先考慮微小狹槽200的簡(jiǎn)單單一線性排，使每個(gè)微小狹槽200的長(zhǎng)軸沿著縱向延伸排方向定向，可以構(gòu)建優(yōu)化的穿孔圖案。具有與局部自由流方向60成預(yù)定角度定向的狹槽的替代圖案在空氣動(dòng)力繞流體40的前緣50附近(以下將結(jié)合圖6和6A進(jìn)一步討論)以及在高吸入水平的情況下是優(yōu)選的。在本發(fā)明最簡(jiǎn)單示例中，單一微小狹槽排具有在連續(xù)微小狹槽之間的400μm間隔，這因而以650μm的周期產(chǎn)生周期性圖案(即，250μm的微小狹槽長(zhǎng)度加上400μm的縱向空間間隔)。穿孔的物理圖案的這種周期性導(dǎo)致物理圖案以及由其產(chǎn)生的流動(dòng)擾動(dòng)的特定譜分布，以下將討論。
圖5和5A比較了具有同樣總的或平均質(zhì)量通量的三種穿孔排的吸入速度譜。圖5顯示了分別對(duì)應(yīng)于三種穿孔排(a)、(b)和(c)的流動(dòng)速度大小的圖解表示。具有參考數(shù)字700的排(a)是間隔0.5mm的50μm孔的現(xiàn)有孔幾何形狀，其具有15％的堵塞概率和為1的峰值速度。換句話說(shuō)，未堵塞的孔顯示為1的流動(dòng)速度，而堵塞的孔顯示沒(méi)有流動(dòng)速度，即，為0的流動(dòng)速度。具有參考數(shù)字702的排(b)是具有與排(a)相同孔的現(xiàn)有孔幾何形狀，但其具有為0的堵塞概率，即沒(méi)有任何孔被堵塞。具有參考數(shù)字730的排(c)是根據(jù)本發(fā)明的示例的微小狹槽排，其沒(méi)有堵塞并且對(duì)于每個(gè)孔具有為0.26的峰值速度。注意，與現(xiàn)有孔相比的微小狹槽的更大尺寸對(duì)于每個(gè)孔獲得相同的總氣流質(zhì)量通量，并具有更低的峰值速度。這些結(jié)果是通過(guò)對(duì)1000個(gè)結(jié)構(gòu)取平均值獲得的，每個(gè)結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)分配的堵塞百分率值和在允許范圍內(nèi)的機(jī)加工公差。
圖5A是顯示由相應(yīng)排700、702和730產(chǎn)生的流動(dòng)曲線的波長(zhǎng)β譜的傅里葉變換的圖形，相應(yīng)的譜以參考數(shù)字700’、702’和703’表示?？梢钥吹?，微小狹槽譜730’與現(xiàn)有幾何形狀(b)的譜702’相比在所有波數(shù)產(chǎn)生3倍幅度減小。這種減小是由于在這些狹槽上更低的峰值速度。更重要地，當(dāng)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(a)的譜700’相比，微小狹槽大體上在所有波數(shù)提供30-50倍幅度減小，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(a)更能代表具有堵塞現(xiàn)象的實(shí)際現(xiàn)有穿孔板。因此，微小狹槽大大減小了鉆孔和機(jī)加工公差以及堵塞的效果。
但是，這種減小在該示例中是通過(guò)在圖中灰色區(qū)域表示的增強(qiáng)的不穩(wěn)定CF模式的波段內(nèi)引入大的幅度峰值732’(β＝9.66l/mm)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于該峰值，微小狹槽的一個(gè)簡(jiǎn)單或常規(guī)布置將產(chǎn)生比現(xiàn)有圖案更差的性能，現(xiàn)有圖案的第一大峰值位于增強(qiáng)波段外側(cè)。這種不想要的峰值732’可以通過(guò)如下所述的本發(fā)明的相消干擾被“消除”或“取消”。注意，使微小狹槽更靠近在一起，例如以0.5mm的周期，將勉強(qiáng)使幅度峰值732’移動(dòng)到增強(qiáng)范圍的外側(cè)。當(dāng)這種間隔是該示例中的一個(gè)選項(xiàng)(并且隨后的工作也采用該選項(xiàng))，也存在該選項(xiàng)是不可獲得的其它層流應(yīng)用。為了顯示本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)的通用性和大的效果，通過(guò)選定的間隔可以形成本發(fā)明高性能的穿孔圖案。
采用本發(fā)明的基本想法，即，所有孔圖案的全部形成譜必須在不穩(wěn)定流動(dòng)擾動(dòng)的波數(shù)具有基本上可忽略的能量(在基本“噪聲”水平之上)，在β+＝9.66l/mm的峰值732’的潛在有害效果可以通過(guò)由另一微小狹槽排特意地引入另一流動(dòng)擾動(dòng)來(lái)消除，另一微小狹槽排具有在相關(guān)波長(zhǎng)相長(zhǎng)地干擾不想要的峰值732’的譜分量。這是通過(guò)構(gòu)建這里稱作“束”250的一系列微小狹槽排來(lái)進(jìn)行的，使得整個(gè)束的傅里葉變換的總幾何形狀在β＝β+翼展方向波數(shù)的CF模式的順氣流方向波數(shù)αr+時(shí)基本上沒(méi)有合成幅度(例如由于相互相長(zhǎng)干擾)。注意，如果最增強(qiáng)模式是行進(jìn)模式，那么將選擇對(duì)應(yīng)于該模式的αr。本發(fā)明不局限于穩(wěn)定橫流模式。
對(duì)于該示例選擇x/c＝0.0076，圖3顯示了β+＝9.66對(duì)應(yīng)于αr+＝6.4l/mm。接著，在大體弦向附近制作由小數(shù)目N的微小狹槽排例如8排組成的束250，以每排的精確順氣流方向位置xn和翼展方向相位φn(以及有選擇地寬度rn)作為使變換函數(shù)的平方最小的未知數(shù) 在以β＝β+的CF模式的αr+為中心的α1＜α＜α2的范圍內(nèi)。函數(shù) 是寬度2r的一系列矩形脈沖的傅里葉變換，這里2r與微小狹槽的寬度匹配。這種示例性情況所形成的幾何形狀顯示在圖6中。該幾何形狀不是獨(dú)特的，并且很大程度上取決于用于使ε最小化的優(yōu)化程序。獨(dú)特的是在α的選定范圍內(nèi)束250的幾何形狀的最少能量。在該示例中，束250的弦向范圍大約是1.75mm。其它寬度也是可行的。
在αr-β平面內(nèi)的對(duì)應(yīng)譜顯示在圖7中。譜的大(限幅)峰值1010和1012分別對(duì)應(yīng)于β＝9.66l/mm的峰值732’和如圖5A所示的β＝19l/mm的峰值，現(xiàn)在也在α尺度上是可見(jiàn)的。黑線1002顯示了在x位置的不穩(wěn)定模式的αr-β組合，即，分散關(guān)系(參見(jiàn)圖3)。沿著線1002，譜峰值1010和1012的幅度較低，顯示選定的穿孔圖案分布基本上不產(chǎn)生CF模式。注意，不穩(wěn)定模式線1002通過(guò)譜波脊或峰值1010上的“波谷”?！安ü取笔峭ㄟ^(guò)穿孔圖案的合適設(shè)計(jì)和選擇由在波數(shù)組合處特意的相消干擾形成的，其單個(gè)譜影響相互干擾。在該示例中，參照?qǐng)D5A和7，在相關(guān)選定的波長(zhǎng)基本上不產(chǎn)生能量或產(chǎn)生可忽略能量的本發(fā)明目的因而可被理解，沿著傅里葉空間的分散關(guān)系1002，沒(méi)有這樣的波數(shù)幅度峰值，其幅度值超過(guò)跨越不穩(wěn)定波數(shù)范圍兩倍的譜范圍的總平均幅度的(例如)十倍。因而，在圖5A中可以看到，具有更高不可接受幅度的峰值732’必須被消除以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。
更具體地，參考數(shù)字1010和1012表示與穿孔的特定束幾何形狀或模式相關(guān)或者由其產(chǎn)生的有效波長(zhǎng)的分量。β值的范圍1000表示穩(wěn)定橫流模式在選定的束的位置不穩(wěn)定的β值，并且線1002特別表示相關(guān)的波分散關(guān)系，例如根據(jù)圖3的示例。如在譜分量1010與分散關(guān)系1002相交的能量下沉處所示，該束的空間譜在該選定或者預(yù)定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量(位于基本“噪聲”水平之上)。這些預(yù)定波長(zhǎng)被選擇成與在巡航狀態(tài)時(shí)在相應(yīng)束之上的邊界層中出現(xiàn)的預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的波長(zhǎng)相匹配。作為使得在流動(dòng)不穩(wěn)定性的選定或預(yù)定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量的本發(fā)明相消干擾的結(jié)果，通過(guò)穿孔的吸入行為將在穿孔表層之上的邊界層中產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定性的最小激勵(lì)。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，吸收系數(shù)是將表面吸入分布的空間譜的幅度與由吸入分布在邊界層氣流中產(chǎn)生的擾動(dòng)空間譜的幅度連接起來(lái)的因子。上面方程式(2)的簡(jiǎn)化源于假定吸收系數(shù)在每個(gè)單個(gè)束的弦向范圍上是恒定的、但可從束到束地發(fā)生改變。一般地，為了確保在預(yù)定波長(zhǎng)沒(méi)有能量是在由通過(guò)穿孔的吸入在流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)之間的這些波長(zhǎng)的相消干擾的結(jié)果，對(duì)每個(gè)單獨(dú)束進(jìn)行在束中的穿孔圖案的進(jìn)一步優(yōu)化，這是通過(guò)采用由運(yùn)動(dòng)方程式的答案給定的束下游的擾動(dòng)流場(chǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)，使方程式優(yōu)選是線性形式以簡(jiǎn)化計(jì)算。優(yōu)化的圖案將繼續(xù)在預(yù)定波長(zhǎng)具有基本上可忽略的能量。在每個(gè)束通過(guò)自身被優(yōu)化之后，由多個(gè)束構(gòu)成的整個(gè)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化可通過(guò)相對(duì)于彼此沿翼展方向移動(dòng)一或多個(gè)相應(yīng)束進(jìn)行，使得在每個(gè)束的下游任何保留的流動(dòng)擾動(dòng)之間形成另外的相消干擾。換句話說(shuō)，本發(fā)明不僅在由給定的單一束的相應(yīng)穿孔產(chǎn)生的流動(dòng)狀態(tài)之間使用相消干擾，而且還在給定的束下游保留的任何流動(dòng)擾動(dòng)與相繼的下游束的流動(dòng)圖案之間使用相消干擾。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的狹槽幾何形狀顯示在圖6A中，其中，狹槽201相對(duì)于局部自由流方向成預(yù)定角度、以及相對(duì)于束250的縱向方向成選定傾角傾斜。圖7A顯示了相應(yīng)的譜，在α1＜α＜α2的范圍內(nèi)沒(méi)有能量。沿著或者平行于自由流方向定向的狹槽給迎面而來(lái)的流動(dòng)提供最少的“鋒面(frontal area)”，從而使得在“過(guò)吸入”發(fā)生之前有更高水平的吸入。大體上垂直于潛流流線定向的狹槽沿著流動(dòng)方向提供更小的波長(zhǎng)。這兩個(gè)中哪一個(gè)是優(yōu)選的取決于實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)。在高雷諾數(shù)時(shí)，因而是薄的邊界層，后者是優(yōu)選的。在較低雷諾數(shù)時(shí)，前者是優(yōu)選的。圖10顯示了幾個(gè)平行束250布置在前緣50處或在前緣50附近，使每個(gè)束具有大體上垂直于局部潛流流線60定向的微小狹槽，諸如所示微小狹槽202、203和204。當(dāng)前緣區(qū)域?qū)τ谛胁ㄊ亲畈环€(wěn)定時(shí)(例如Gortler-Haemerlin模式)，前緣束的譜在對(duì)應(yīng)于這些模式的空間波數(shù)時(shí)基本上沒(méi)有幅度。
與圖6B相關(guān)地應(yīng)注意到，本發(fā)明的原則特征即在合適設(shè)置的穿孔構(gòu)成的排或組中的相互相消干擾也可以通過(guò)除細(xì)長(zhǎng)或長(zhǎng)方形微小狹槽之外的孔形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，圖6B顯示了圓形孔205的圖案，它們可替代地用于束250，以實(shí)現(xiàn)所需的相消干擾。它因而是最重要的每個(gè)束中穿孔的選定圖案或排布。然而，由于小圓形孔如上所述更加容易堵塞和出現(xiàn)機(jī)加工誤差，根據(jù)本發(fā)明細(xì)長(zhǎng)微小狹槽形狀是優(yōu)選的。
在α1＜α＜α2的范圍內(nèi)沒(méi)有幅度使相鄰的束250在功能上大體上獨(dú)立，使得增加一個(gè)復(fù)制的束到給定束的任一側(cè)將仍然產(chǎn)生并且不損害任一束的最小化特性。這是束的一個(gè)重要和主要特性、并且是直接從傅里葉變換的轉(zhuǎn)移特性得來(lái)的。即，讓x＝0是第一束的位置，具有最小幅度(即，α1＜α＜α2)的類似范圍并且位于第一束下游Δx位置的第二束對(duì)傅里葉變換函數(shù) 的貢獻(xiàn)簡(jiǎn)單地是第一束的變換的(-iαΔx)指數(shù)倍。由于該變換函數(shù)的幅度在α1＜α＜α2中近似地為零，第二束對(duì) 的貢獻(xiàn)在這個(gè)波數(shù)范圍內(nèi)近似地為零。這樣，兩個(gè)束在CF模式產(chǎn)生時(shí)在功能上是獨(dú)立的。
而且，由于在幅度最小的α的范圍與束寬度相比在弦向方向平滑和緩慢地變化，相鄰束將總是分享它們的最小化α范圍的大部分并且不相互干擾。結(jié)果，在設(shè)計(jì)了該束的穿孔圖案之后，可以在選定位置一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置束，從而形成具有特定孔隙度的完整布置。
正如以下詳細(xì)討論地，通過(guò)在穿孔表層下方施加吸入到氣室形成通過(guò)穿孔的吸入流動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)障礙、駐波等，在穿孔表層下方的氣室中的靜態(tài)壓力在空間上不均勻。如下所示，這種空間不均勻性的波長(zhǎng)的評(píng)估為最小范圍α1＜α＜α2提供了α1和α2的值。
吸入速度分布Vwall(x，z)與在穿孔板上的壓降Δp(x，z)和孔幾何形狀hole(x，z)的乘積的平方根成比例。由于束沿著x方向較窄，在這個(gè)方向的變化可忽略，并且由于Δp的空間變化相對(duì)于平均值在幅度上較小，平方根被一系列放大之后獲得Vwall(z)=(Δp0+12Δp(z)+...)hole(z)---(3)]]>每個(gè)乘積對(duì)應(yīng)于波數(shù)空間的卷積，Vwall(β)=Δp0hole(β)+12Δp1(β)*hole(β)+...---(4)]]>在方程式右側(cè)的第一項(xiàng)是上述已經(jīng)被處理的項(xiàng)。第二項(xiàng)導(dǎo)致幾何形狀的每個(gè)傅里葉模式的譜增寬。變換Δp1(β)在空間中越被局限，增寬越大。假定例如吸入壓力的變化具有非常局部的高斯分布，使σ為5厘米。那么，Δp1(β)具有相當(dāng)大的幅度(即峰值的2％以上)直到β＝+/-0.5l/mm，導(dǎo)致在該示例中在β＝9.66的幾何形狀峰值處譜增寬+/-0.5。使用圖3檢查對(duì)應(yīng)的αr，結(jié)果是在選定位置x/c＝0.0076處大約+/-0.4l/mm。因而，α的最小化必須延伸超過(guò)中心值αr+＝6.4為+/-0.4，從而形成6.0＜α＜7.2。在圖7中，關(guān)于CF模式αr-β關(guān)系(黑線1002)的增寬將是沿著線1002延伸的波段。注意，本發(fā)明最優(yōu)化模式的譜在沿著線1002的這種波段上基本上是零，導(dǎo)致圖案對(duì)氣室壓力水平的空間變化的所需不敏感性。
現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向現(xiàn)有圖案與一個(gè)優(yōu)化束之間的直接比較。現(xiàn)有圖案是一個(gè)在x方向7mm寬并在z方向呈周期性的矩形區(qū)域，其中，70μm孔以西洋跳棋圖案間隔開(kāi)，孔之間的最大距離為0.5mm，如圖8頂部所示，一些孔被堵塞。最優(yōu)化的束與上述討論的相同并顯示在圖9頂部。兩種孔圖案具有相同的總開(kāi)口面積，因而對(duì)于給定壓差具有基本上相等的質(zhì)量通量，并且具有基本上相等的峰值吸入速度。鉆孔和機(jī)加工公差分別是15和20μm，現(xiàn)有圖案具有隨機(jī)數(shù)目的被堵塞孔，但不超過(guò)全部孔的10％。圖8顯示了現(xiàn)有圖案的幾何形狀以及相應(yīng)的空間譜，圖9顯示了本發(fā)明已調(diào)諧束的同樣信息。譜的幅度已經(jīng)被成比例繪制以更好顯示在不穩(wěn)定波數(shù)范圍內(nèi)的值。兩種圖表具有相同界限。
從這兩個(gè)圖可以清楚看到，圖9的本發(fā)明優(yōu)化孔圖案與圖8中的現(xiàn)有圖案相比在相等的平均流量通量時(shí)沿著線1002在不穩(wěn)定波數(shù)范圍內(nèi)導(dǎo)致更低的加壓，因而能夠作為高性能圖案。
考慮到本發(fā)明優(yōu)選特征形成的上述討論，以下將討論一個(gè)具體應(yīng)用示例。圖10是作為代表性空氣動(dòng)力繞流體40的機(jī)翼40諸如飛行器的升力翼、控制表面部件、水平尾翼、垂直尾翼等的前緣區(qū)域的一部分的示意立體圖。機(jī)翼40包括穿孔外部表層100，它設(shè)置有由根據(jù)本發(fā)明穿孔排200構(gòu)成的線性延伸組或束250。可以看到，穿孔的束250都平行于前緣50即平行于翼展方向z縱向延伸，并且在弦向方向x上相互間隔開(kāi)。這樣，相應(yīng)的非穿孔表面區(qū)域設(shè)置在相鄰穿孔束250之間并將相鄰穿孔束相互分隔開(kāi)。
在每個(gè)束250中，穿孔的圖案和參數(shù)，例如在這個(gè)束中穿孔的長(zhǎng)度、寬度、形狀、間隔、定向、周期性、交錯(cuò)性、孔隙度(相對(duì)于總面積的開(kāi)孔面積)、排數(shù)、排的組合以及排的間隔根據(jù)本發(fā)明上述原理被優(yōu)化。即，給定束的圖案和參數(shù)被設(shè)計(jì)成，該束具有在預(yù)定波長(zhǎng)大體上沒(méi)有能量(在平均“噪聲”能量水平之上)的空間譜，使得通過(guò)穿孔的吸入在流動(dòng)中產(chǎn)生的擾動(dòng)由于在預(yù)定波長(zhǎng)的流動(dòng)擾動(dòng)的相消干擾而在該束的下游相互消除。這樣，與相應(yīng)束相關(guān)的空間譜的激勵(lì)能量尤其在最易出故障的波長(zhǎng)，即在包括機(jī)翼40的飛行器的巡航狀態(tài)在束之上的邊界層中出現(xiàn)的預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的波長(zhǎng)，被最小化。這些波長(zhǎng)尤其是邊界層流的橫流模式在這些波長(zhǎng)時(shí)在選定束的弦向位置不穩(wěn)定的波長(zhǎng)，例如由結(jié)合圖3的相應(yīng)相關(guān)分散關(guān)系所描述的。
盡管給定束250的微小狹槽200通常并且優(yōu)選地定向成使它們的長(zhǎng)軸都相互平行，但不同束的微小狹槽可以具有不同定向。如上所述，由于機(jī)翼40的前緣50的向后傾斜延伸，進(jìn)入氣流沿著前緣50附著，邊界層外側(cè)撞擊機(jī)翼40的流動(dòng)流線(潛流)遠(yuǎn)離前緣50形成彎曲氣流路徑60。如上所述，取決于給定機(jī)翼的特定流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)將給定束250的微小狹槽200定向成使微小狹槽的長(zhǎng)軸大體上垂直于由自由流線60表示的局部自由流方向可以獲得優(yōu)點(diǎn)。
這樣，如圖10的相應(yīng)放大細(xì)部所示，直接沿著前緣50的束250的微小狹槽202大體上垂直于該束的縱向方向并且垂直于局部自由流流動(dòng)定向，而依次更加遠(yuǎn)離前緣50的束的微小狹槽203和204以相對(duì)于給定束250延伸的縱向方向成合適傾角定向，使得該束的相應(yīng)微小狹槽大體上垂直于在弦向位置的自由流流動(dòng)60。如上所述作為一種替代，為了獲得與不同流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的不同優(yōu)點(diǎn)，微小狹槽可以布置成使它們的長(zhǎng)軸基本上平行于局部自由流流動(dòng)方向60。
機(jī)翼40的完整結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步形成在圖11中。如圖11所示，穿孔表層100必須由下方支撐結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上被支撐，下方支撐結(jié)構(gòu)在這種情況下包括與外部表層100結(jié)構(gòu)成一體例如連接或結(jié)合的縱向肋300。肋300大體上平行于機(jī)翼40的前緣50，因而也平行于穿孔束250延伸。因此，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)考慮是確?？v向肋300在表層100下方在相鄰穿孔束250之間的未穿孔區(qū)域延伸。這樣，穿孔外部表層100由肋300在結(jié)構(gòu)上支撐，使肋300不會(huì)阻塞束250的任何穿孔200，而且不會(huì)損壞或顯著地影響每個(gè)束的設(shè)計(jì)空間譜的特定設(shè)計(jì)流動(dòng)特性。換句話說(shuō)，可以不用考慮機(jī)翼所需的結(jié)構(gòu)支撐來(lái)設(shè)計(jì)每個(gè)束的流動(dòng)特性，只要支撐肋300隨后布置在相鄰束250之間的未穿孔表層區(qū)域中。這克服了現(xiàn)有技術(shù)排布的重要問(wèn)題，其中，先前設(shè)置的穿孔被下方支撐肋阻塞、或預(yù)定穿孔圖案必定被干擾，這當(dāng)然損壞了由現(xiàn)有孔圖案實(shí)現(xiàn)的預(yù)定流動(dòng)特性。
而且，表層100與支撐肋300可以任何公知合適方式相互連接，例如通過(guò)焊接或者凸緣鉚接。但優(yōu)選地通過(guò)單次擠壓，外部表層100可以與支撐肋300容易地一體制造。先前設(shè)計(jì)的構(gòu)成束250的穿孔圖案隨后以任何公知方式在擠壓組件中被機(jī)加工出來(lái)。
圖12顯示了代表性機(jī)翼40的總體結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。除了結(jié)合圖11顯示和描述的組件之外，圖12的實(shí)施例還包括內(nèi)部穿孔部件400，諸如被焊接、鉚接、粘接或以任何其它結(jié)構(gòu)連接方式與縱向肋300連接的穿孔內(nèi)部板400，以在外部表層100與內(nèi)部板部件400之間形成相應(yīng)空氣通道420。具體地，每個(gè)通道420被限界在外部表層100、內(nèi)部板部件400以及相應(yīng)相鄰支撐肋300之間。內(nèi)部板部件400用作兩個(gè)重要目的。首先，內(nèi)部板部件400與支撐肋300和外部表層100一起形成具有高強(qiáng)度重量比的強(qiáng)剛性箱形梁結(jié)構(gòu)。其次，通過(guò)設(shè)置內(nèi)部板部件400形成的空氣通道420可用于控制吸入效果或吸入流動(dòng)，吸入效果或吸入流動(dòng)被提供到由相鄰支撐肋300之間的相應(yīng)空氣通道420限定的機(jī)翼弦向范圍內(nèi)的穿孔束250構(gòu)成的每個(gè)相應(yīng)組。吸入流動(dòng)由現(xiàn)有公知吸入發(fā)生器600施加到內(nèi)部板部件400下方的共用氣室500，并且隨后根據(jù)需要通過(guò)內(nèi)部板部件400的孔450分配到各個(gè)空氣通道420，以下還將對(duì)此進(jìn)行討論。
如上所述，由局部作用在機(jī)翼40上的外部壓力的順氣流方向的變化可能導(dǎo)致通過(guò)特定穿孔的過(guò)大吸入流動(dòng)速度的過(guò)吸入問(wèn)題。這樣，如果恒定和均勻的吸入或真空壓力作用到穿孔表層100的整個(gè)下側(cè)，穿過(guò)任何給定穿孔的壓差將取決于外部壓力并且隨外部壓力變化。為了簡(jiǎn)化以及可靠性，理想的是提供單一恒定吸入氣室壓力，但也優(yōu)選地補(bǔ)償壓差的順氣流方向的變化，以便沿著表層的整個(gè)穿孔區(qū)域?qū)λ写┛撰@得受控和所需的吸入質(zhì)量通量。本發(fā)明可以三種方式補(bǔ)償順氣流方向的壓力變化，每種方式使用相應(yīng)束的獨(dú)立特性第一種方式是通過(guò)沿著順氣流方向改變相應(yīng)束的孔隙度、第二種方式是通過(guò)改變相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)以及特定的穿孔內(nèi)部板部件400、以及第三種方式是通過(guò)組合前面兩種方式。
內(nèi)部板部件400的次級(jí)穿孔或孔450連通每個(gè)空氣通道420與位于內(nèi)部板部件400下方的單一開(kāi)口氣室區(qū)域500。每個(gè)空氣通道420的寬度(即，弦向方向?qū)挾?在相鄰支撐肋300之間是足夠的小，使得在任一空氣通道420以及束250的相應(yīng)組的寬度上的外部壓力變化很小。被吸入的邊界層空氣流過(guò)外部表層100上的穿孔200、流過(guò)相應(yīng)的空氣通道420的高度、并隨后流過(guò)內(nèi)部穿孔板部件400的次級(jí)穿孔450，到達(dá)通過(guò)吸入發(fā)生器600保持在大體上恒定和均勻吸入或真空壓力的內(nèi)部空氣室500。吸入發(fā)生器600、氣室500和空氣通道420分別或共同地被認(rèn)為形成吸入系統(tǒng)。
在每個(gè)相應(yīng)單個(gè)空氣通道420的區(qū)域，內(nèi)部穿孔板部件400具有由次級(jí)穿孔450提供的預(yù)定孔隙度，以獲得選定節(jié)流效應(yīng)，從而控制通過(guò)相應(yīng)空氣通道420的吸入壓力和吸入流動(dòng)。具體地，由內(nèi)部板部件400的次級(jí)穿孔450提供的預(yù)定孔隙度使得，由沿著特定空氣通道420的外部表層100的主要穿孔200提供的流動(dòng)阻力加上在該空氣通道420的區(qū)域穿過(guò)內(nèi)部板部件400的次級(jí)穿孔450的流動(dòng)阻力的總和在所關(guān)心的特定弦向點(diǎn)產(chǎn)生所需流速。即，內(nèi)部板部件的孔隙度根據(jù)需要從一個(gè)空氣通道到另一空氣通道精確地變化以抵消外部壓力變化。在內(nèi)部板部件400上的次級(jí)穿孔450的孔圖案與本發(fā)明的外部表層100上的穿孔200的圖案相比可以相對(duì)自由地被選擇，因?yàn)閮?nèi)部板部件400不受外部邊界層流的流動(dòng)狀態(tài)的作用。
而且，縱向肋300優(yōu)選地具有高熱導(dǎo)率，并且從內(nèi)部氣室500向外部表層100傳熱。而且，熱空氣可有選擇地吹到內(nèi)部氣室500中，以便通過(guò)外部表層100上的穿孔200吹出，從而給外部表層100提供熱通量，這可以防止或者有助于除去形成在外部表層表面上的冰。當(dāng)然，在不需要借助于吸入的邊界層控制時(shí)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的這種運(yùn)行也是適用的。
應(yīng)注意，每個(gè)束250的寬度和每個(gè)空氣通道420的寬度可以沿著翼展長(zhǎng)度方向慢慢地變化或逐漸減小，以適應(yīng)弱的錐形流中潛流和邊界層流量的沿翼展方向的緩慢變化，錐形流諸如是沿著錐形提升表面如飛行器的機(jī)翼、水平尾翼和垂直尾翼存在的流動(dòng)。
工業(yè)適用性包括用于影響或控制沿著一個(gè)表面的流體的邊界層流的穿孔表層的本發(fā)明結(jié)構(gòu)尤其適用于機(jī)翼部件的外部表層，諸如飛行器的提升機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、控制表面和吸氣表面。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)也適用于涉及沿著一個(gè)表面的流體的相對(duì)高速邊界層流的任何其它情形。例如，本發(fā)明的穿孔圖案適合于用于減小或消除流動(dòng)擾動(dòng)的風(fēng)洞表面。流體動(dòng)力應(yīng)用也是可行的。
權(quán)利要求
1.一種層流控制裝置，包括外部表層，所述外部表層具有貫通的多個(gè)穿孔、以及具有適合暴露于氣流的外表面，所述氣流包括沿著所述外表面流動(dòng)的邊界層氣流；以及位于所述外部表層與所述外表面相對(duì)的一側(cè)并且與所述穿孔連通的吸入系統(tǒng)，所述吸入系統(tǒng)適合通過(guò)所述穿孔從所述邊界層氣流吸入空氣；其中，由于通過(guò)所述穿孔吸入空氣，在所述邊界層氣流中產(chǎn)生流動(dòng)擾動(dòng)；其特征在于，所述穿孔以所述穿孔的空間圖案空間地分布，使得所述流動(dòng)擾動(dòng)至少在一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)經(jīng)受相互的相消干擾。
2.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述穿孔的所述空間圖案布置成，使得通過(guò)所述穿孔吸入空氣在所述邊界層氣流中產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定性的最小激勵(lì)。
3.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述穿孔的所述空間圖案具有在所述一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量的空間譜。
4.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在所述邊界層氣流中的預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的流動(dòng)波長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于在特定弦向位置出現(xiàn)在所述邊界層氣流中的預(yù)定不穩(wěn)定流動(dòng)模式的流動(dòng)波長(zhǎng)，在特定弦向位置所述穿孔的所述空間圖案至少選定部分位于所述外部表層上。
6.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述空間圖案包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸束，所述束由所述穿孔的至少一個(gè)縱向延伸排構(gòu)成，所述穿孔是相應(yīng)的微小狹槽，每個(gè)微小狹槽具有在100到3000μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度和50到250μm范圍內(nèi)的寬度。
7.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述空間圖案包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束相互平行布置、并且通過(guò)它們之間的相應(yīng)主要未穿孔表層區(qū)域間隔開(kāi)，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束分別包括所述穿孔的多個(gè)縱向延伸排，其中，所述多個(gè)排相互平行地布置成多個(gè)排組，所述排組是由所述多個(gè)排的相鄰排構(gòu)成，所述相鄰排分別具有相互交錯(cuò)的所述多個(gè)穿孔，并且具有在所述多個(gè)束的每個(gè)中的所述排組的相鄰排之間的次要未穿孔表層區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，在所述多個(gè)束中的一個(gè)相應(yīng)束中的所述排組包括不同數(shù)目的所述穿孔的所述排。
9.如權(quán)利要求1所述層流控制裝置，其特征在于，所述空間圖案包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束分別包括所述穿孔的多個(gè)縱向排，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束相互平行布置、并且通過(guò)它們之間的未穿孔表層區(qū)域間隔開(kāi)，所述穿孔的所述多個(gè)排布置成相對(duì)于彼此產(chǎn)生所述相消干擾，并且所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)縱向延伸穿孔束布置成相對(duì)于彼此產(chǎn)生所述相消干擾。
10.一種暴露于邊界層氣流的層流控制表面，所述控制表面包括外部表層，所述外部表層具有穿過(guò)所述表層的多個(gè)主要穿孔；與所述外部表層連接以便通過(guò)所述主要穿孔從所述邊界層氣流抽吸空氣的吸入系統(tǒng)；其中，所述主要穿孔相對(duì)于彼此空間地分布，以便在所述邊界層氣流中產(chǎn)生流動(dòng)不穩(wěn)定性的最小激勵(lì)。
11.一種暴露于邊界層氣流的層流控制表面，所述控制表面包括外部表層，所述外部表層具有穿過(guò)所述表層的多個(gè)主要穿孔；與所述外部表層連接以便通過(guò)所述主要穿孔從所述邊界層氣流抽吸空氣的吸入系統(tǒng)；所述主要穿孔具有在預(yù)定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量的空間譜，使得由通過(guò)所述主要穿孔抽吸空氣在所述邊界層氣流中產(chǎn)生的擾動(dòng)通過(guò)在所述預(yù)定波長(zhǎng)的相消干擾至少部分地相互消除。
12.在一種具有機(jī)翼的飛行器中，機(jī)翼包括前緣和外部表層，所述外部表層具有適合邊界層氣流沿著其流動(dòng)的外表面，并且所述機(jī)翼還具有穿過(guò)所述外部表層與所述外表面連通的多個(gè)穿孔；其改進(jìn)特征在于所述多個(gè)穿孔以所述多個(gè)穿孔的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)束空間地布置；所述多個(gè)束基本上平行于所述前緣并且相互平行地縱向延伸，所述多個(gè)束通過(guò)它們之間的相應(yīng)主要未穿孔表層區(qū)域相互橫向地間隔開(kāi)；以及所述多個(gè)束中的每個(gè)包括所述穿孔的多個(gè)縱向延伸排。
13.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)穿孔中的每個(gè)是具有在100到3000μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度、和50到250μm范圍內(nèi)的寬度的細(xì)長(zhǎng)狹槽。
14.如權(quán)利要求13所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述長(zhǎng)度不大于500μm。
15.如權(quán)利要求13所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述長(zhǎng)度不大于300μm。
16.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的一個(gè)相應(yīng)束的所述多個(gè)穿孔中的每個(gè)是長(zhǎng)軸與所述相應(yīng)束縱向延伸方向平行地定向的細(xì)長(zhǎng)狹槽。
17.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的一個(gè)相應(yīng)束的所述多個(gè)穿孔中的每個(gè)是長(zhǎng)軸與所述相應(yīng)束縱向延伸方向垂直地定向的細(xì)長(zhǎng)狹槽。
18.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的一個(gè)相應(yīng)束的所述多個(gè)穿孔中的每個(gè)是長(zhǎng)軸與所述相應(yīng)束縱向延伸方向成一傾角地定向的細(xì)長(zhǎng)狹槽。
19.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)穿孔是在所述多個(gè)束的每個(gè)相應(yīng)束中其長(zhǎng)軸相互平行地定向的細(xì)長(zhǎng)狹槽，并且所述多個(gè)束的第一束的所述狹槽以使其長(zhǎng)軸與所述多個(gè)束的第二束的所述狹槽的長(zhǎng)軸相比沿著不同方向定向。
20.如權(quán)利要求19所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的每個(gè)相應(yīng)束的所述狹槽定向成使其長(zhǎng)軸大體上垂直于在所述相應(yīng)束上流動(dòng)的邊界層氣流的局部流動(dòng)方向。
21.如權(quán)利要求19所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的每個(gè)相應(yīng)束的所述狹槽定向成使其長(zhǎng)軸大體上平行于在所述相應(yīng)束上流動(dòng)的邊界層氣流的局部流動(dòng)方向。
22.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)束的一個(gè)相應(yīng)束中的所述多個(gè)穿孔的所述多個(gè)排布置成多個(gè)相互平行的排組，所述排組是由所述多個(gè)排的相鄰排構(gòu)成，所述相鄰排分別具有相互交錯(cuò)的所述多個(gè)穿孔，并且具有在所述相應(yīng)束中的所述排組的相鄰排之間的次要未穿孔表層區(qū)域。
23.如權(quán)利要求22所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，在所述相應(yīng)束中的所述多個(gè)排組的第一排組與在所述相應(yīng)束中的所述多個(gè)排組的第二排組相比具有所述多個(gè)穿孔的不同長(zhǎng)度、寬度、定向、間隔、周期性、交錯(cuò)性、數(shù)目或圖案。
24.如權(quán)利要求23所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述多個(gè)穿孔是具有圓形橫截面的孔。
25.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，飛行器還包括與所述多個(gè)穿孔連通、并且適合通過(guò)所述穿孔從所述邊界層氣流吸入空氣的吸入系統(tǒng)；由于通過(guò)所述穿孔吸入空氣，在所述邊界層氣流中產(chǎn)生流動(dòng)擾動(dòng)；并且所述穿孔以空間圖案空間地分布在所述多個(gè)束的至少一個(gè)中，使得所述流動(dòng)擾動(dòng)至少在一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)相互經(jīng)受相消干擾。
26.如權(quán)利要求25所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述穿孔的所述空間圖案具有在所述一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有能量的空間譜。
27.如權(quán)利要求25所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)選定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)在所述邊界層氣流中的預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的流動(dòng)波長(zhǎng)。
28.如權(quán)利要求12所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，還包括結(jié)構(gòu)支撐肋，所述支撐肋在與所述外表面相對(duì)一側(cè)在所述主要未穿孔表層區(qū)域沿著所述外部表層延伸并連接到所述外部表層上。
29.如權(quán)利要求28所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，所述外部表層和所述支撐肋相互成一體、并且一起形成整體單一組件。
30.如權(quán)利要求28所述飛行器的改進(jìn)，其特征在于，還包括與所述外部表層相對(duì)并且間隔開(kāi)地連接到所述支撐肋上的內(nèi)部板，從而形成分別界定在所述外部表層、所述內(nèi)部板和所述多個(gè)支撐肋的相應(yīng)相鄰支撐肋之間的空氣通道，其中，所述內(nèi)部板具有貫通到所述空氣通道的多個(gè)孔，所述多個(gè)孔提供連通到所述多個(gè)空氣通道的不同空氣通道中的所述多個(gè)孔的相應(yīng)不同的總孔隙度。
31.一種機(jī)翼，具有經(jīng)受邊界層氣流的外表面，所述機(jī)翼具有向前的前緣、并且使所述外表面的至少一部分包括暴露于所述邊界層氣流的層流控制表面，所述控制表面包括外部表層，所述外部表層具有穿過(guò)所述外部表層的多個(gè)主要穿孔；吸入系統(tǒng)，所述吸入系統(tǒng)與所述外部表層連接，以便通過(guò)所述主要穿孔從所述邊界層氣流抽吸空氣，從而在所述邊界層氣流中引起擾動(dòng)；所述多個(gè)主要穿孔形成多個(gè)間隔開(kāi)的縱向穿孔區(qū)域，所述多個(gè)間隔開(kāi)的縱向穿孔區(qū)域大體上平行于所述機(jī)翼的所述前緣排列、并且通過(guò)未穿孔表面區(qū)域相互間隔開(kāi)，至少一個(gè)所述多個(gè)間隔開(kāi)的縱向穿孔區(qū)域使主要穿孔分布成在所述擾動(dòng)之間產(chǎn)生相消干擾，所述相消干擾在預(yù)定空間波長(zhǎng)出現(xiàn)在所述至少一個(gè)所述多個(gè)間隔開(kāi)的縱向穿孔區(qū)域的下游。
全文摘要
空氣動(dòng)力繞流體(40)的外部表層(100)具有以特定圖案布置成相應(yīng)翼展方向延伸的組或束(250)的穿孔(200)。每個(gè)穿孔優(yōu)選是具有在100到3000μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度、和50到250μm范圍內(nèi)的寬度的細(xì)長(zhǎng)狹槽?？諝馔ㄟ^(guò)微小狹槽從在外部表層上流動(dòng)的邊界層吸入，以實(shí)現(xiàn)邊界層控制。在每個(gè)束中，微小狹槽的圖案、尺寸、定向、和其它參數(shù)被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)由于吸入導(dǎo)致的流動(dòng)擾動(dòng)的相互相消干擾，以使邊界層中的流動(dòng)不穩(wěn)定性的激勵(lì)最小。尤其是，給定束的穿孔圖案的空間譜在出現(xiàn)于邊界層氣流中的預(yù)定流動(dòng)不穩(wěn)定性的預(yù)定波長(zhǎng)基本上沒(méi)有大的能量?？諝鈩?dòng)力繞流體(40)還包括平行于穿孔束(250)延伸的支撐肋(300)、以及提供通過(guò)束的組的吸入流動(dòng)的節(jié)流控制的穿孔內(nèi)部板(400)。
文檔編號(hào)B64C21/06GK1812911SQ03808602
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2003年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月18日
發(fā)明者法比奧·P·貝爾托洛蒂 申請(qǐng)人:空中客車德國(guó)有限公司