[发明专利]控制边界层及其它具有约束壁的流体流动场内紊流的方法和设备

说明书

本发明涉及对边界层及其它具有约束壁的流体流动场内紊流进行控制的方法和设备。

本文引证了1993年11月23日公布的美国专利5263793和1994年10月11日分布的美国专利5354017。在这些专利公开中，把紊流看作是明显紊乱中的粘附模式。特别是，在其中所引证的这些专利和出版物中，都把紊流描写成具有这样的特征：在紊流中，存在着沿流动方向延伸的滚动偶(roll pairs)系统，并且倾斜传播的构造与这个滚动偶系统相互作用。这些构造很明显地以一定的组合速度传播，并且作为产生滚动偶的引发物。其中滚动偶的产生会形成阻力。在这传播模式中，最重要的很明显是那些从顺流方向以65°角左右的传播以及那些在50～80°范围内的包含传播模式主要能量的传播。

这些滚动偶，有时被称作流层，它们相对旋转，并且位于边界层附近，位于外部边缘且超出底层。在动态的流动中，它们会发生相当程度的曲流和动态变化。非常重要的是这些滚动对或流层会突然弯曲或扭曲，从而导致突然使一些壁面附近的流体流动变缓，并使这些缓慢流动的流体进入流体快速流动的主流中。这种突发现象会导致在壁面上形成一个净阻力。据估计，在流动过程中，有大约20％的时间会发生这种突发现象，但是它却占壁面阻力的80％。此外，经过对这种流动模式的研究，表明这种滚动的弯曲经历了从所有具有约束壁的紊流中很典型的暂时变化到稳定的粘附模式。

为了确定这个流层的大小，首先必须认清这个流层是超过壁面附近的流动底层的局部状态的一种表现形式，而不是壁面的表现形式，也不是远离壁面的流场的表现形式。局部状态可以用壁面上的平均摩擦力S、流体密度r、以及流体的粘度m来确定。这些数据可以定义一个局部的大小尺寸或长度规l*(lengthscale)，这个长度规通常称作一个壁单位(wall unit)，它等同于m/(sr)°。每个滚动偶的主要滚动直径名义上为50至100壁单位，或100l*至200l*。

术语主要(dominant)在涉及滚动直径时，意思是在活动模式中，绝大部分的(波动速度的)能量都在具有这个尺寸大小的活动模式中。此外，也存在其它相同的滚动模式，它们有一个大小范围，而且也包含许多紊流能量。

根据上面引证的两个专利，中等大小的紊流是通过以下方式来控制的。这种控制方式是，在紊流壁区引入两个独立的扰动量，这两个独立的扰动量能有效地在当地区域形成一个合成的扰动场，这个合成的扰动场以这样的方式参与到并改变倾斜传播构造，这个方式是能使传播构造与滚动偶系统的相互作用增强或减弱的方式，从而能在当地增强或减弱流动场中的紊滚。其中的一个扰动量可以用被动的方式来形成，例如通过流体与一组三角形的凸起条带之间的相互作用来形成，其中的三角形凸起条带沿翼展方向设置在壁面上(即模切流动方向设置)，凸起的顶点朝向流动的上游。其中的第二个扰动量可以用主动的方式来形成，例如，通过主动机械、电动、或流体动力的方式来向当地区域注入能量。

本发明的目的是提供一种用于简化紊流控制的方法和设备，它是利用了某些类型的通过被动方式所产生的干扰。这些干扰也可通过一些主动的方式来产生。

根据本发明，通过被动的方式，向壁面区域内引入一种干扰，采用的是在壁面上形成二维排列的凸起，或在壁面内形成许多凹坑，以抑制滚动偶的形成或破坏滚动偶，从而可以减小边界或其它具有约表壁的流体流动场的紊流阻力，这里所说的边界层或其它具有约束壁的流体流动场具有一个紊流壁面区域，它的特征是在壁面附近，存在滚动偶或流层的自然系统。优选的情况是，这个排列中包括许多凸起，这些凸起成行连续排列，并垂直于流体的流动方向，后面的行相对于前面的行交错布置，这种布置可以以规则的方式或随意的方式来布置。每一行中的单元凸起可以采用一致的形式来布置，或采用在一行内随意向前或滞后布置。

优选的情况是，这些凸起向流体中突进的距离在5至15壁单位，其中壁单位(l*)在前面已经作出定义；并且这些凸起呈V形，其顶点朝向流体流动方向的上游(即朝向流体流来的方向)。凸起的顶角的优选范围是50°～90°。在每行中凸起之间的间距的优选范围是每100至300壁单位内设置一个凸起，在流体流动方向上凸起之间的间距的是每200～400壁单位设置一行。优选的情况是，在流动方向上凸起的尺寸大小应在150～250壁单位内。

利用相同类型的凸起也能增强混合(即增大流动阻力)，但需要把这些凸起以不交错的、统一的行和列来布置。

下面参照附图，并通过例子来描写本发明的实施例。

在附图中：

图1是一个断面图，表示具有约束壁的流体流动，这个图是朝垂直于流动方向看去的断面图；