[发明专利]用于流体操纵的装置和方法

说明书

一种具有第一推力装置的意向性流体操纵装置组件，所述第一推力装置在标称操作要求期间向局部自由流流动施加第一诱导速度。所述第一推力装置产生流管。第二推力装置位于所述流管的下游部分。所述第二推力装置向所述局部自由流流动施加第二诱导速度。在所述第二推力装置的位置处的所述第二诱导速度具有与在所述第二推力装置的位置处的所述第一诱导速度的方向相反的方向上的分量。

本申请要求于2017年8月10日提交的美国临时申请第62/543,371号、于2018年6月15日提交的美国临时申请第62/685,295号以及于2018年7月27日提交的美国临时申请第62/703,898号的权益，其以引用的方式并入本文中。

背景技术

许多流体相互作用装置在低自由流流速下具有较大功耗。例如，对于直升机，悬停时所需的功率可以是标称水平巡航时所消耗的功率的两倍。传统固定翼飞行器的螺旋桨或商用喷气式客机的涡轮风扇在较小自由流流速(诸如起飞时发现的速度)下比在较大自由流流速(诸如在标称水平巡航时发现的速度)下针对给定的推力大小消耗更大功率量。同样，传统的开放式旋翼风力涡轮机能够从流体中提取的功率量不一定小。

试图减轻与相对低的自由流流速大小相关的推力产生或功率提取的低效率问题在效果上是有限的。例如，可以使用导管来增加螺旋桨、直升机旋翼或风力涡轮机的局部自由流流速。这种增加的幅度由导管的几何形状决定，而导管的几何形状又受到约束条件(诸如与流动分离有关的约束条件)的严格限制。对于较小自由流流速，即最需要导管的情况下，这些约束条件尤其严格。由于这些约束条件，只能通过具有较大扩压器的导管来对局部自由流流动产生较大影响，例如，这可能与过大的润湿面积和增加的重量相关联。

相对于流体运动的物体(诸如机身)通常会遭受摩擦力或牵引阻力。在现有技术中，试图最小化该牵引阻力通常局限于确保物体的润湿表面尽可能光滑。在某些情况下，这种光滑度可以有利于润湿表面的至少一部分上的层流，这可以有助于减小粘性牵引阻力。然而，即使在存在层流的情况下，该牵引阻力也是相当大的。

发明内容

根据一些实施例，一种流体操纵装置(诸如直升机主旋翼系统)可以配置为与传统直升机旋翼系统相比，减少在悬停期间消耗的功率，并且增加例如悬停持续时间。这些原理还提高了其它类型的流体相互作用装置(诸如螺旋桨或风力涡轮机)的推力产生或功率提取的效率。在一些实施例中，改变包含增加推力产生或功率提取流体相互作用装置的至少一部分的局部自由流流速。

上述粘性牵引阻力是流体相对于物体的润湿表面的局部自由流速度的函数。根据一些实施例，一种流体操纵装置可以配置为改变流体相对于物体的润湿表面的局部自由流速度，并且减小粘性牵引阻力。在一些实施例中，改变包含降低物体的润湿表面的至少一部分的局部自由流流速。

一些实施例包括一种意向性流体操纵装置和/或相关方法，其中，具有上游推力装置的推力装置组件可以配置为在标称操作期间相对于自由流流动在第一方向上产生预期力或推力。推力装置组件还可以包括至少一个下游推力装置，其中，该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中。下游推力装置可以配置为在上游推力装置的流管中的下游推力装置的位置处产生推力，该推力具有平行于上游推力装置的诱导速度矢量的方向的至少一个矢量分量。下游推力装置的推力可以在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上满足该方向标准。推力装置组件可以包括至少两个推力装置。

在一些实施例中，流管可以通过外部提升装置或推力装置来弯曲。在一些实施例中，上游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量不再需要与上游推力装置受到的推力对准。在一些实施例中，也可以不再与上游推力装置在上游推力装置的位置处的诱导速度矢量对准。在一些实施例中，下游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量可以配置为具有与上游推力装置在该位置处的诱导速度矢量相反的方向上的至少一个分量。在一些实施例中，下游推力装置受到的推力因此不必具有在上游推力装置的推力的相反方向上的分量。