[发明专利]用于减小流体动力学结构的噪声的微结构

说明书

技术领域

本发明大体上涉及流体动力学结构，尤其涉及减小流体动力学结构的噪声的微结构。

背景技术

在流体动力学中，紊流或湍流是由混沌、随机特性变化表征的流体状态。这包括低动量扩散、高动量对流以及在空间和时间内压力和速度的快速变化。

紊流使得形成许多不同长度尺度的涡流。紊流运动的大部分动能包含在大尺度结构中。能量通过惯性和大致无黏滞机制从这些大尺度结构“级联”到较小尺度结构。该过程连续创造产生涡流层级的越来越小的结构。最终该过程创造这样的结构，所述结构足够小而使得分子扩散变得重要并且最终发生能量的粘性消散。发生该情况的尺度是Kolmogorov长度尺度。

高能涡流与流体动力学结构的壁的相互作用产生宽带噪声。例如，来自紊流边界层流散射的涡流在行进经过翼型的后缘时是明显的噪声源。当上升翼型移动通过紊流时，不稳定的压力场形成于翼型周围，这产生表现为宽带噪声的声波。这样的现象可以容易地在几乎所有类型的运输工具中看到，例如机动车辆、飞机、直升机、轮船、潜艇等，其结果会相当麻烦。例如，直升机噪声级可以容易地接近100dB，该噪声的大部分与切入前叶片的尾流的转子叶片相关。在形状上与涡轮风扇发动机中的轴流式压缩机类似的复杂的潜艇推进器在推进器叶片切入边界层产生的紊流时产生相当大的噪声。在战争环境中，这样的噪声级明显地限制这些交通工具的隐形能力。另外，随着诸如“Silent Skies Act of 1999”的法案的通过，工业在压力下日益开始减小与飞行器上的涡轮机推进器(即，涡轮风扇、涡轮喷气引擎等)关联的噪声污染级。类似地，风力涡轮机噪声限制它们的公众接受度以及限制从地球的风力资源提取更多可再生能量的转子的发展；边界层噪声(即，风力涡轮机叶片的边界层中的紊流与翼型表面的相互作用)是风力涡轮机噪声的主要来源之一。因此，广泛地需要减小由涡流与流体动力学结构相互作用产生的噪声。

发明内容

发明人通过使用流体动力学结构的表面上的微结构解决了减小流体动力学结构的噪声的问题。已发现微结构改变紊动涡流的尺度而使得减小最终噪声谱。

在本发明的一个方面中，一种流体动力学结构包括表面和由该表面的至少一部分上的多个峰和谷限定的微结构。该微结构包括在沿着流体动力学结构的弦长的预定距离处的过渡区域，在所述过渡区域中每个峰和谷从由第一间隔和第一高度限定的第一轮廓变化到由第二间隔和第二高度限定的第二轮廓，第二轮廓不同于第一轮廓，其中微结构减小由流过流体动力学结构的紊动气流生成的噪声。

在本发明的另一个方面中，一种流体动力学结构包括表面和由该表面的至少一部分上的多个凸肋限定的微结构。多个凸肋包括在沿着所述流体动力学结构的弦长的第一位置处的第一轮廓和在沿着所述流体动力学结构的弦长的第二位置处的第二轮廓，在第一轮廓中每个凸肋具有第一宽度和第一高度，在第二轮廓中每个凸肋具有第二宽度和第二高度，其中第二轮廓不同于第一轮廓，并且其中第二位置不同于第一位置，并且其中微结构减小由流过流体动力学结构的紊动气流生成的噪声。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的流体动力学结构的俯视图，该流体动力学结构具有用于减小结构的表面上的噪声的微结构；

图2是图1的微结构的部分透视图；

图3是沿着图2的线3-3获得的微结构的截面图；

图4是根据本发明的实施例的微结构的俯视图，该微结构包括具有在第一区域中的第一轮廓、在第二区域中的第二轮廓和其间的过渡区域的凸肋；

图5是沿着图4的线5-5获得的微结构的放大截面图；

图6是根据本发明的实施例沿着图4的线5-5获得的微结构的放大截面图，该微结构具有微尺度表面纹理。

图7是根据本发明的另一个实施例的微结构的俯视图，该微结构包括具有在第一区域中的第一轮廓、在第二区域中的第二轮廓和其间的过渡区域的凸肋；

图8是沿着图7的线7-7获得的微结构的放大截面图；

图9和10是根据本发明的另一个实施例的微结构的示意性透视图，该微结构包括具有高度可变的峰的凸肋；

图11和12是微结构的示意性俯视图，该微结构类似于图7中的微结构，包括具有在第一区域中的第一轮廓、在第二区域中的第二轮廓和其间的过渡区域的凸肋，区别在于过渡区域在微结构的整个长度上延伸；

图13-15是根据本发明的另一个实施例的具有非线性凸肋的微结构的示意性透视和俯视图；以及