[发明专利]用于控制在有界壁的流体流动场中的紊流的方法和装置

说明书

本发明涉及一种用于控制在有界壁的流体流动场中的紊流的方法和装置。

与本发明有关的已公开的文献为：

(1)、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结构”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传播结构”Theoret.Comput.Fluid Dynamics(1991),2:307-317。

从传统流体力学的观点来看，紊流被理解成是一种在所有可能的自由度上都进行激发的不规则情况。这种理解受到从例如对大气中的气象模型和管道中流动的水等大量领域的直接观察到例如搅拌加入咖啡中的冰淇淋或混合颜料等日常经验的支持。

紊流可以是有害的也可以是有益的：它在汽车上或飞机上产生不希望得到的阻力；然而它带来燃料和空气在发动机中的混合，或迅速散除腔中的热。紊流在人类进程中已经产生了巨大的推动力，然而直到最近几年，将它作为不规则情况来理解已经阻碍了科学分析的进行。随着能对有界壁的紊流进行数据研究和完成现代实验的巨型计算机的发展，对紊流的理解已经发生了戏剧性的变化。在原来曾认为不规则的地方，现在却认为紊流在表面紊乱的当中具有相干的活动波谱。

仔细检查紊流流过的壁或界面，例如在空气流过飞机机翼，或液体流过管道的情况下，已经显示出这种相干结构的存在，该结构的形式是在与壁相接处但位于外边缘上和内层之外存在多对相对旋转的流线型涡卷。这些有时被称为条纹的涡卷在它们的动态活动中表现出很大的弯曲和变化。重要的是它们的急剧扭曲或弯曲，这种扭曲或弯曲导致慢速运动的流体从靠近壁的地方急剧爆裂并进入快速运动的流动主体中。这种爆裂在壁上产生有效阻力。据估计，这些占壁上阻力80％的爆裂，仅发生大约20％次。再者，对这种流动波谱的研究表明，通过所有有界壁的紊流典型的短暂变化，涡卷扭曲成为立体型相干波型。

为了说明条纹的宽度，首先需要认识到，条纹表示流体接近壁的内层之外、不是壁的本身、也不是离壁较远的流场的局部情况。局部情况完全由壁上的平均摩擦应力s、流体密度r和流体粘度m来解释。这些量确定了局部尺寸的大小、或长度尺寸l＊，该尺寸或尺度通常称为壁单位并等于m/(sr)^1/2。主要的涡卷直径大约是100壁单位，或每对200l＊。

与涡卷直径有关的术语“主要的”意思是最大量的紊流能(波动速度的)驻留在该尺度的活动状态中。另外，还有其他具有某一尺寸范围的相同卷型的模式，而且它们也包含大量的紊流能。总的说来，由于这些卷型模式的秩序遭到破坏，以致扭曲和最终产生使慢运动流体成为快速运动流体的比较猛裂的爆裂过程，从而出现了主要作用于壁上的阻力。

由于传播结构也存在于紊流壁区域这一现象的显露而使有界壁的紊流过程的波谱增强。在上述参考文件(1)中表明，传播结构是以恒定群速度传播的相干波型。在上述参考文件(2)中，进一步证实了传播模式的存在。从另—侧面来看，一项出版于20年前并公布于报纸上的文献研究(其中进行了壁紊流实验)暗示，但没有直接建议，这种紊流中有传播模式存在并起作用。

正如上述公开文件中所论证的那样，传播模式作为爆裂过程的触发剂而起作用，爆裂过程导致在紊流的有界壁流动中出现生产过程的阻力。尽管传播模式带有比较小的自身能量，但是，如果传播模式不出现就不会发生爆裂过程。此外，实验性和数据性测得的爆裂过程经历的时间与传播模式的时间相对应。因此最有力而且最重要的传播模式是那些从流线方向以大约65°角传播的模式；和那些在50-80°范围内具有传播模式最高能量的模式。

触发模式的波长也是一个重要的因素。这些与涡卷尺寸基本相同的波的波长在爆裂过程中扮演了重要角色。

最大的触发模式具有尺寸与支承涡卷模式的波长基本相同的横向延伸。这明显的表明存在共振过程，该过程通过触发操作促进涡卷模式的爆裂。为了参考的目的，主触发模式有时也称作长波长模式。没有出现特别长的波长模式，但存在许多较短波长模式。

因此，本发明的目的是提供一种通过改变触发模式来改变和控制紊流的方法和装置。