專利名稱：用于控制在有界壁的流體流動場中的紊流的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于控制在有界壁的流體流動場中的紊流的方法和裝置。
與本發(fā)明有關的已公開的文獻為(1)、由L.Sirovich，K.S.Ball和L.R.Keefer所著“在紊流的渠流中的平面波和結構”Phys.Fluids A2(12)，1990年12月，P2217-2226。
(2)、由L.Sirovich，K.S.Ball和R.A.Handler所著“在有界壁的紊流中的傳播結構”Theoret.Comput.FluidDynamics(1991)，2∶307-317。
從傳統(tǒng)流體力學的觀點來看，紊流被理解成是一種在所有可能的自由度上都進行激發(fā)的不規(guī)則情況。這種理解受到從例如對大氣中的氣象模型和管道中流動的水等大量領域的直接觀察到例如攪拌加入咖啡中的冰淇淋或混合顏料等日常經(jīng)驗的支持。
紊流可以是有害的也可以是有益的它在汽車上或飛機上產生不希望得到的阻力;然而它引起燃料和空氣在發(fā)動機中的混合，或迅速散除腔中的熱。紊流在人類進程中已經(jīng)產生了巨大的推動力，然而直到最近幾年，將它作為不規(guī)則情況來理解已經(jīng)阻礙了科學分析的進行。隨著能對有界壁的紊流進行數(shù)據(jù)研究和完成現(xiàn)代實驗的巨型計算機的發(fā)展，對紊流的理解已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化。在原來曾認為不規(guī)則的地方，現(xiàn)在卻認為紊流在表面紊亂的當中具有相干的活動波譜。
仔細檢查紊流流過的壁或界面，例如在空氣流過飛機機翼，或液體流過管道的情況下，已經(jīng)顯示出這種相干結構的存在，該結構的形式是在與壁相接處但位于外邊緣上和內層之外存在多對相對旋轉的流線型渦卷。這些有時被稱為條紋的渦卷在它們的動態(tài)活動中表現(xiàn)出很大的彎曲和變化。重要的是它們的急劇扭曲或彎曲，這種扭曲或彎曲導致慢速運動的流體從靠近壁的地方急劇爆裂并進入快速運動的流動主體中。這種爆裂在壁上產生有效阻力。據(jù)估計，這些占壁上阻力80%的爆裂，僅發(fā)生大約20%次。再者，對這種流動波譜的研究表明，通過所有有界壁的紊流典型的短暫變化，渦卷扭曲成為立體型相干波型。
為了說明條紋的寬度，首先需要認識到，條紋表示流體接近壁的內層之外、不是壁的本身、也不是離壁較遠的流場的局部情況。局部情況完全由壁上的平均摩擦應力s、流體密度r和流體粘度m來解釋。這些量確定了局部尺寸的大小、或長度尺寸l＊，該尺寸或尺度通常稱為壁單位并等于m/(sr)1/2。主要的渦卷直徑大約是100壁單位，或每對200l＊。
與渦卷直徑有關的術語“主要的”意思是最大量的紊流能(波動速度的)駐留在該尺度的活動狀態(tài)中。另外，還有其他具有某一尺寸范圍的相同卷型的模式，而且它們也包含大量的紊流能。總的說來，由于這些卷型模式的秩序遭到破壞，以致扭曲和最終產生使慢運動流體成為快速運動流體的比較猛烈的爆裂過程，從而出現(xiàn)了主要作用于壁上的阻力。
由于傳播結構也存在于紊流壁區(qū)域這一現(xiàn)象的顯露而使有界壁的紊流過程的波譜增強。在上述參考文件(1)中表明，傳播結構是以恒定群速度傳播的相干波型。在上述參考文件(2)中，進一步證實了傳播模式的存在。從另一側面來看，一項出版于20年前并公布于報紙上的文獻研究(其中進行了壁紊流實驗)暗示，但沒有直接建議，這種紊流中有傳播模式存在并起作用。
正如上述公開文件中所論證的那樣，傳播模式作為爆裂過程的觸發(fā)劑而起作用，爆裂過程導致在紊流的有界壁流動中出現(xiàn)生產過程的阻力。盡管傳播模式帶有比較小的自身能量，但是，如果傳播模式不出現(xiàn)就不會發(fā)生爆裂過程。此外，實驗性和數(shù)據(jù)性測得的爆裂過程經(jīng)歷的時間與傳播模式的時間相對應。因此最有力而且最重要的傳播模式是那些從流線方向以大約65°角傳播的模式;和那些在50-80°范圍內具有傳播模式最高能量的模式。
觸發(fā)模式的波長也是一個重要的因素。這些與渦卷尺寸基本相同的波的波長在爆裂過程中扮演了重要角色。
最大的觸發(fā)模式具有尺寸與支承渦卷模式的波長基本相同的橫向延伸。這明顯的表明存在共振過程，該過程通過觸發(fā)操作促進渦卷模式的爆裂。為了參考的目的，主觸發(fā)模式有時也稱作長波長模式。沒有出現(xiàn)特別長的波長模式，但存在許多較短波長模式。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種通過改變觸發(fā)模式來改變和控制紊流的方法和裝置。
本發(fā)明控制具有紊流壁區(qū)域的有界壁流體流動場中的紊流，其特征在于通過紊流壁區(qū)域引入一個干擾場使渦卷對或條紋系統(tǒng)在流動方向上延伸，干擾場強聯(lián)合到與渦卷對系統(tǒng)相互作用的傳播結構并改變該結構。渦卷對引起與渦卷對系統(tǒng)相互作用的這些傳播結構的變化從而增加在一端上混合的紊流或減小另一端上的紊流阻力。最好是，利用范圍為100-300l＊的共振波長對干擾場進行調制，其中l(wèi)＊是壁單位的尺度。最好的干擾波幅范圍是10-20l＊。
下面借助于附圖中的實例來說明本發(fā)明的實施例，其中

圖1是表示有界壁的流體流動的截面圖，其中截面取自與流動方向垂直的方向;
圖2是圖1所示流體流動場的平面示意圖，它表示鄰近具有人字形波紋的壁界的條紋或渦卷;
圖3是穿過表示波紋的壁的截面圖;
圖4是一種變型的波紋;
圖5是表示多個嵌入壁表面的傳感器元件，例如加熱器、超聲發(fā)生器等且取自垂直于流體流動方向的有界壁流體流動場的截面圖;
圖6是表示各傳感器按時間順序啟動方式的標準時間圖。
圖7是圖5所示表示按照圖6所示由于按時序啟動傳感器而出現(xiàn)的引入流體流動中的干擾的標準分布;
圖8是表示將聲發(fā)生器安裝到實驗區(qū)一側上風洞實驗的實驗區(qū)平面圖;
圖9是表示在實驗區(qū)中通過槽將聲干擾引入紊流中的實驗區(qū)的側視圖。
最近和到目前為止未公開的研究已經(jīng)把焦點聚集到通過改變觸發(fā)模式來改變和控制紊流。在一系列計算機的作用下，已經(jīng)考慮到將紊流送入一個帶有固定壁的通道。在作用過程中，將變形應用于選擇性選出的觸發(fā)模式上。選擇運動相位的隨機性作為變形的工具。事實上，這抑制了長波運動。沒有特殊的有關相位隨機的方法;也沒有其它變形方法能夠工作。人們發(fā)現(xiàn)通過僅僅使傳播模式的長的波長相位隨機化，就可以使流率增加量多于30%。與此相關的結果表明可獲得阻力減小多于40%的效果，除長波長模式以外的其它模式的隨機化產生很小的效果或沒有效果。另一方面，傳播模式的長波長幅度的提高實際上增加了紊流混合。這為波和渦卷模式的相互作用對爆裂機制是很重要的這一點提供了強有力的證明。
現(xiàn)在參照附圖，標號10代表包含限制流體13的有界壁紊流場，流體13包括以相對旋轉的流體渦卷14、16的形式出現(xiàn)的局部結構。這些渦卷的軸或條紋正如有時所要求的那樣，位于流入圖1所示的紙張中和如圖2中的箭頭7所指示的流體流動方向上。這些渦卷的詳細特征包含在參考文件(1)第22、23頁上的圖10中。簡單地說，這些相對旋轉的渦卷具有能引起強流動作用的直徑，和遠遠大于它們的直徑的長度(超過1000l＊)。如上所述，主要的渦卷直徑大約是每對100l＊或200l＊。
在完全開發(fā)的紊流中，這些局部渦卷結構移向下游在通過壁區(qū)附近時遭到破壞、變形并最終破裂。這是流動中出現(xiàn)的傳播模式的干擾結構和引起渦卷破裂的干擾結構之間的相互作用，而且接下來是在界面附近的慢運動流體和主流中的快速運動流體進行混合并且反之亦然。
本發(fā)明提供用于控制波傳播模式的觸發(fā)方式的被動和主動機構，波傳播模式引起紊流有界壁流動中渦卷破裂。按照本發(fā)明，用于控制波傳播模式的被動機構在容納紊流的壁上具有諸如槽形、波浪形等形狀變化。例如，形狀變化可以通過在壁上挖槽或通過在壁上附加一個包括所需形狀的粘接層來實現(xiàn)。當形狀變化是波浪形時，它們的波幅應該是在15-20壁單位的范圍內以便包含紊流形成的峰的位置。典型的波浪的波長或間隔將取決于控制紊流的目的。波浪的取向，即，通過波浪峰之間的方向應該從流線方向傾斜大約15-30°。也就是說，波浪的“傳播”方向應該與流線方向成60-75°角。
圖2表示渦卷14、16的平面圖;而且疊在這些渦卷上的是傳播的波，波的方向由箭頭18表示，其與流動方向17成±θ角。如上所示，對于具有高含能量的波來說θ的范圍是50-80°。為了計算傳播模式中可能出現(xiàn)的雙向角，波浪最好是如圖2所示的人字形圖案20，或是一個完全的交叉陰影或“滾花”圖案。
為了增強混合和增加例如熱傳輸(即增加紊流)和由此促進破裂的爆發(fā)，應該要求波浪為圖3所示的那種嚴格地成正弦波形。波長P最好在100-300壁單位的范圍內以便借助觸發(fā)模式產生共振，而且波幅a最好在15-20壁單位的范圍內。
為了減小阻力，應該使波浪產生一個以模擬的方式在波中引入相位干擾的波譜以實現(xiàn)上述的相位隨機化。為獲得此結果而采取的方法是通過共振波長建立一個“不規(guī)則”的、和包括在波長中向下分布的無共同尺度的正弦曲線的合適極值的波譜調制。圖4給出了一個模型的剖面曲線。
除了使用與波傳播模型相互作用以控制紊流的被動機制以外，本發(fā)明還考慮使用用于這一目的的主動裝置。如圖5所示，實施例30就是一個主動裝置的實例。如圖所示與壁齊平面安裝的加熱元件31、32形成的傳感器由加熱控制形式的傳感器控制部分33啟動。加熱器控制部分33的工作是按時序向加熱器發(fā)脈沖以便對與那些由有界流動的壁表面上的波浪形產生的波譜有相同波譜的流體進行局部加熱。這樣，局部加熱將產生或者抑制或者增加有破裂活性密度變化的波譜。
控制模式33可以按圖6所示的順序啟動加熱器以提供一個如圖7所示干擾的空間分布。在波型中引入相位干擾的波型或波譜可以通過與上述波浪形相似的波形中的熱譜來實現(xiàn)。
上述兩種裝置都經(jīng)過觸發(fā)裝置進行控制，并且適合于穩(wěn)態(tài)流動的情況。在上述兩個例子中，不管是由于表面變形還是由于適當定位和熱元件的脈沖而引起的波譜位移都是確定的。確定的波譜是由用流動參數(shù)(例如雷諾數(shù))表示的流動條件決定的。
其它方面的應用是在變化的流動條件下對紊流進行控制。安裝在壁上的加熱元件可以裝在與流動方相垂直的區(qū)域內?？梢园磿r間順序對這些元件進行觸發(fā)以便建立一個任意角度的傾斜波。通過適當?shù)赜|發(fā)或向加熱元件的柵極發(fā)脈沖可以建立任何活性的波譜以增強或減少破裂現(xiàn)象。這將允許把這些考慮應用到有可變流率(即可變雷諾數(shù))的情況。
借助于壁上安裝的聲發(fā)生器或在圖5中由傳感器所示位置上外部安裝的聲發(fā)生器的聲波振蕩能夠實現(xiàn)一方面使引入流體流動中的干擾相位隨機化，另一方面使該相位增加。觸發(fā)模式的相位增加導致通過標準波譜建立的流體流動的混合增加。通過適當?shù)仳寗勇暟l(fā)生器排可以產生形成與波浪形表面有關的上述波譜的異步聲波振蕩。利用合適的聲驅動器的程序可以對可變流率進行處理。
通過安裝在壁上且在傳播波譜中引起壁振動的、同時將振動依次傳輸?shù)搅鲃又械膫鞲衅骺梢垣@得相位隨機化或觸發(fā)模式增加的相同效果。聲譜或發(fā)聲器或振蕩發(fā)生器可以在通道側壁上、或管的圓周上或是其它有界流動壁的壁上安排成排。
本發(fā)明還可以在一種有界壁的流體流動系統(tǒng)中進行，其中的流體是象海水這樣的電導體。在這種情況下，通過改變與壁有關或接近壁的磁場或電磁場引入干擾從而以上述方式在傳播結構或模式中得到所需的干擾或有效變化。
本發(fā)明特別適用于在通道、彎道、管道、彎管、壓縮器、泵和造平中減小系流。本發(fā)明還適用于內燃機的燃燒室，以及類似場合以便增強燃燒室內的混合從而提高燃燒率。
如果紊流流體具有導電性或弱導電性，例如是海水的情況下，就可以利用電裝置來建立迄今所討論的波譜?？梢允褂梦挥趫D5中傳感器位置上的安裝在壁上的電極來產生電流，該電流可用于局部加熱或耦合到磁場以建立局部的力?？梢岳眠@些特性來控制上面討論的相應波譜。最后，可以使用安裝在壁上的應力計、壓力計、熱電偶或任何其它合適的測量裝置來探測開始觸發(fā)的傳播波。在具有熱、聲或電布置的反饋回路中利用這些信號選擇性地增強或消除逐漸形成的觸發(fā)傳播模式。
雖然在此公開的本發(fā)明涉及有界壁的流體流動場中的紊流，然而本發(fā)明的上述方法和裝置也可以用于有紊流邊界的流動中，例如出現(xiàn)在流體中的相互靠近的運動物體。這樣，本發(fā)明也適用于在空氣中運動的物體(例如，在地面上滾動的車輪、和飛機)和在水中運動的物體(例如，船)等等。
此外，本發(fā)明的上述方法和裝置也可以用于有界層流動的系統(tǒng)中，其中的流體是導電性的，例如海水。在這種情況下，通過改變與諸如在海水運行的船只這樣的物體有關或接近這些物體的磁場或電磁場來引入干擾從而以上述方式在傳播結構或模式中產生所需的干擾或產生變化。
在實際的物理實驗中，當利用比較弱的聲發(fā)生器將聲干擾引入風洞實驗區(qū)時，觀察到紊流中的阻力實際上減小了(9%)。圖8表示用于實驗中和實驗區(qū)中的音響共鳴器之間的關系。如圖所示，風洞實驗區(qū)為大約57厘米高乘81厘米長，而且其長度大約為380厘米。聲發(fā)生器以大約65°角裝在實驗區(qū)的側面。聲發(fā)生器的形式是一個共鳴箱，該共鳴箱具有約22厘米長的斜面部分和一端約61×22厘米的測量部分，該端上裝有揚聲器且與揚聲器相對的一端約為8×61厘米?？拷泵娴牟糠质蔷€性部分，線性部分的一側長度約為42厘米而相對一側的長度約為72厘米。線性部分的自由端被截成一個1厘米高×61厘米長的縫。該縫位于與實驗區(qū)的壁成一條直線的位置上。
使用一根熱導線在實驗區(qū)的壁附近的兩個相隔30厘米的點上進行測量。其中一個點與共鳴箱的軸線相疊合并且設在實驗區(qū)中大約190厘米處。
在軸線的點上，相對于根據(jù)自由氣流速度得到雷諾數(shù)為7.7×105的流動來說，紊流界層的厚度是48毫米。阻力減小大約9%被認為是由放大器驅動揚聲器所致，根據(jù)由A.R Handler，E.Levich和L.Siro vich在物理、流體、中提供的研究報告“通過相位隨機化使紊流通道流動中的阻力減小”可知，隨著在426赫茲7.0-360°范圍內紊流相位的隨機化，放大器產生驅動頻率為170赫茲的聲頻信號。引入實驗區(qū)中的聲干擾用的頻率或波長，按照本發(fā)明對它們的解釋，是在100-300l＊范圍內(其中l(wèi)＊是一個壁單位)。
通過本發(fā)明的上述最佳實施例可明顯地得到由本發(fā)明的方法和裝置而獲得的優(yōu)點和改進的結果。在不違背如附加的權利要求所描述的發(fā)明思想和范圍的情況下可以進行多種改變和變型。
權利要求
1.一種控制具有紊流壁區(qū)域的有界壁的流體流動場中的紊流的方法，其特征在于一個其直徑與流動強度有函數(shù)關系且在流動方向上延伸的渦卷對或條紋系統(tǒng)，和實際上以恒定的群速度在流動方向上傳播的相干波型傳播結構，所說的方法包括向紊流壁區(qū)域局部地引入一個干擾場，干擾場的波幅、波長和傳播方向是這樣的，即以增加或減少傳播結構和渦卷對系統(tǒng)相互作用的方式使干擾與傳播結構進行強聯(lián)合并改變傳播結構，以便局部增加或減少流動場中的紊流。
2.按照權利要求1的方法，其中干擾場的波長與渦卷尺寸基本相同。
3.按照權利要求2的方法，其中在垂直于運動矢量方向上干擾的范圍與渦卷的尺寸基本相同。
4.按照權利要求2的方法，其中干擾場包括在100-300l＊范圍內共振波長的調制，并包括減小波長的不同尺寸的正弦波極值。
5.按照權利要求4的方法，其中干擾的波幅在15-20l＊范圍內。
6.按照權利要求2的方法，其中干擾的波幅是定時或相隔一段時間進行調制的。
7.按照權利要求2的方法，其中干擾是通過在以流體為界的壁上形成波浪表面而產生的，波浪的方向相對于流體流動方向是傾斜的。
8.按照權利要求7的方法，其中所說表面的波長與渦卷尺寸基本相同。
9.按照權利要求8的方法，其中調制波長在100-300l＊范圍內，這里l＊是壁單位，并且調制波由減小波長的不同尺寸的正弦波構成。
10.按照權利要求9的方法，其中在所說表面上的波浪形波幅按照重復的波譜變化。
11.用于控制流體流動中的紊流的裝置，包括(a).具有紊流壁區(qū)以限制流體流動的邊界，其特征在于在流體流動方向上延伸的渦卷對，和與渦卷對相互作用的傳播結構;和(b).用于將干擾引入壁區(qū)的與壁相聯(lián)的裝置，干擾的波幅、波長和傳播方向是這樣的，即，使干擾與傳播結構耦合使之達到為改變傳播結構和渦卷對的相互作用而改變傳播結構的程度，從而增強紊流的混合或減小紊流的阻力。
12.按照權利要求11的裝置，其中所說與壁相聯(lián)的裝置包括有峰和谷的周期性波浪部分。
13.按照權利要求12的裝置，其中所說的波浪部分在壁上形成人字形。
14.按照權利要求12的裝置，其中峰的幅度在垂直于波浪長度的方向上周期性變化。
15.按照權利要求12的裝置，其中峰的幅度在垂直于波浪長度的方向上周期性變化。
16.按照權利要求12的裝置，其中峰值周期性變化。
17.按照權利要求12的裝置，其中所說與壁相聯(lián)的裝置包括安裝在垂直于流動方向上的傳感器排，和用于周期性或非周期性地按時序激發(fā)傳感器的裝置。
18.按照權利要求17的裝置，其中所說的傳感器是當加熱器受激發(fā)時用于加熱流體的加熱器。
19.按照權利要求17裝置，其中所說的傳感器是當超聲傳感器受激發(fā)時用于將聲信號列引入流動中的超聲傳感器。
20.按照權利要求11的裝置，其中所說與壁相聯(lián)的裝置包括具有峰和谷的非周期性波浪部分。
21.按照權利要求12的裝置，其中所說的波浪部分在壁上形成滾花圖型。
22.按照權利要求12的裝置，其中峰值是非周期性變化的。
23.按照權利要求7的方法，其中波浪的方向位于相對于流動的方向為50-80°的范圍內。
24.按照權利要求1的方法，其中干擾的波幅比渦卷的尺寸小得多。
25.按照權利要求24的方法，其中所說的波幅在大約10-20壁單位的范圍內，這里的壁單位是m/(sr)0.5，m是流體的粘度，S是在壁附近的流體中的平均摩擦應力，和r是流體的密度。
26.按照權利要求24的方法，其中所說干擾的波長與渦卷的尺寸基本相同。
27.按照權利要求26的方法，其中所說波長在100-300壁單位的范圍內，這里的壁單位是m/(sr)0.5，m是流體的粘度，S是在壁附近的流體中的平均摩擦應力，r是流體的密度。
28.按照權利要求25的方法，其中所說干擾的波長與渦卷的尺寸基本相同。
29.按照權利要求28的方法，其中所說的波長在100-300壁單位的范圍內，這里壁單位是m/(sr)0.5，m是流體的粘度，S是壁附近的流體中的平均摩擦應力，r是流體的密度。
30.按照權利要求29的方法，其中干擾的傳播方向在流動方向的約50-80°的范圍之內。
31.按照權利要求27的方法，其中干擾的傳播方向在流動方向的約50-80°的范圍之內。
32.按照權利要求17的裝置，其中所說的傳感器是當發(fā)生器受激發(fā)時用于將所說干擾引入流動中的聲發(fā)生器。
33.按照權利要求17的裝置，其中所說的傳感器是當傳感器受激發(fā)時用于將所說干擾引入流動中的振動傳感器。
全文摘要
通過向紊流中引入改變與流動方向成一定傾角的傳播結構特性的干擾來控制以在流動方向上延伸的渦卷對系統(tǒng)和與渦卷對系統(tǒng)相互作用的傳播結構為特征的在具有紊流壁區(qū)的有界壁流體流動場中的紊流。在干擾使傳播結構波幅增加的情況下，紊流混合或加熱增加；而當干擾使傳播結構的波幅減小時，紊流阻力降低。
文檔編號F15D1/00GK1074279SQ9211460
公開日1993年7月14日 申請日期1992年11月19日 優(yōu)先權日1991年11月19日
發(fā)明者L·西羅維希, L·Y·布朗尼基, E·列維希 申請人:奧馬特工業(yè)有限公司