CN1186268A - 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 - Google Patents

Abstract

通过被动的方式向紊流壁区域内引进一个干扰来促进或抑制滚偶的形成,从而局部地增强或减小流动场中的紊流,从而实现对边界层或具有约束壁的流体流动场内的紊流进行控制。其中的边界层或流动场具有一个紊流壁区域,在自然状况下,它在壁面附近有一个滚动偶或层流的系统。

Description

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

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；

图2是图1中所示流体流动场的平面图，表示具有1字形起伏边界壁面周围的流层或滚动；

图3是穿过壁面的剖面图，表示边界的起伏状况；

图4是这种起伏状况的一种改进形式；

图5是表示根据本发明的包含许多凸起的壁面；

图6是沿图5中6-6线剖开的剖面图。

现在参照附图来进行说明，参考数字10表示一个具有约束壁的紊流流动场，它包括壁12，用于限制流体13，在这流体13中包含有，以相对旋转的流体的滚动14、16。这些滚动有时被称作流层，它们的轴线一般位于流体的流动方向上，这个方向在图1中是指向指内的，在图2中由箭头17所指。简单地说，这些相对旋转的滚动的长度远比它们的直径(大约1000l^*)大。如上所述，主要滚动的尺寸大小大约为每对滚动的100l*至200l*。

在形成完全的紊流流动中，这些局部的滚动结构在整个壁面区域附近向下游移动，它们会发生破裂、弯曲，并且最终迸发出来(即从壁面区域喷出来)。在上面所引证的专利中，认为流动中的传播模式的粘附构造与这些滚动的粘附构造之间的相互作用是滚动进发出来并与流体主流中快速流动的流体相混合的基础，反之亦然。这些专利中提供了被动的和主动的机构来控制波动传播模式的引发因素，这些引发因素被认为参与了在具有约束壁的紊流流动中的滚动模式的进发。

根据引证的专利中的发明，用于控制波传播模式的一种被动机构是对形状作出的一些改变，例如是包含紊流流动的壁面上的槽、起伏等。例如，形状的改变可以通过在壁面上刻槽或在把具有符合要求形状的粘层粘附的壁面上来实现。当这些形状的改变是以起伏的形式来实现时，为了把紊流的最高峰包括进去，这些起伏的幅度应在5～20壁单位范围内。波长或典型的起伏的节距取决于紊流控制的目标，这些起伏的方向，即波峰之间的波谷的方向应从顺流方向倾斜15～30°。那就是说，这些起伏的传播方向应从顺流方向大约有60～75°左右。

图2表示滚动14、16的平面图；叠加在这些滚动上的是一些波。这些波在箭头18所指的方向上传播(传播模式)，并且与流动方向17形成一个角±θ。如上所指，对于具有主要能量的波，θ角位于50～80°的范围内。为了说明传播方式的可能的双向角度，这些起伏采用图2中所示的人字形模式20的形式或采用网状或滚花模式。

根据所引用的专利，为了提高混和程度以及增加热传导，(即增加紊流)，从而促进产生进发，则应把壁面严格按如图3所示和正弦波的模式来安排。为了能与引发模式相谐调，波长ρ最好在100～300壁单位范围内，波幅a最好在15～20壁单位。

为了减小阻力，壁面的起伏应做成一定的模式(条纹)，使它能在波中产生相干扰，所采用的方式类似于上面提到的自由相。实现这个目的一种方法是通过共振波长产生“扰乱”模式，并且包含适当数量的不成比例的正弦波，波长逐渐减小。一个断面设计方案的模型如图4所示。

根据本发明，采用被动的方式，向约束壁区域内引进一个紊流，使之提高或抑制滚动偶的形成，从而增大或减小流场中的紊流，这样就能对约束壁表面上的紊流阻力进行控制了。当这种引进的紊流促进滚动偶形成时，壁面上的阻力就增大，当这种紊流抑制滚动偶形成时，阻力就减小。

引进这种紊流的优选方式是在约束壁上形成凸起条纹，或在平整的表面上刻许多凹坑。这些凸起或凹坑的尺寸大小以及这些凸起或凹坑的模式能抑制促进滚动偶的形成。

现在参照图5进行说明，参考数字50表示根据本发明的一种装置，用于抑制边界层或其它具有约束壁的流体流场中滚动偶的形成，其中流体的流向如箭头53所指，在约束壁52的表面51附近有一个紊流壁区域。流体流动方向如箭头53所指。运用在表面51上的是一种装置，这种装置通过被动的方式向壁面区域引进一种用于抑制滚动偶形成的紊流。这种装置最好是由表面51上凸起55形成一个二维阵列54。或者，这种装置也可采用在壁面51上形成凹坑的形式。

伏选的情况是，阵列54采用下面的方式来布置：众多的凸起成行排列，所排成的行垂直于流体的流动方向，后面行中的凸起相对于前面行中的凸起交错排列、规则地排列成自由排列。优选的情况是，这些凸起呈V形，并且它们的顶点朝向与流动方向相反的方向。也就是说，凸起的顶点56面向流体的流动。从凸起的顶点伸展开的两侧可以是直的，如图中所示，也可以是以凹进或凸出的曲线形。比外，这些凸起的顶角最好在50～90°范围内。

应用本发明的凸起模式时，可以在比例上进行改变。例如用于边界层的例子是，它应用于飞机或机身上。为了增大边界层，在顺流距离动力减慢1/10；比例大小改变。

如图5所示，在流动方向上凸起的间距(即条纹的行距)为“a”，在流动方向上凸起的尺寸大小为“b”。在垂直于流动方向上(即翼展方向)这些凸起的尺寸大小为“c”。在模切于流句的方向上(即在行方向上)，这些凸起的间距为“d”；在后行与前行之间的错开的距离(即列之间的距离)为“e”。这些凸起的高度或厚度为“f”。

在一种低速的风道内，已经做过实验对特定的壁面模式进行了测试。风道中所测试部分的大小为：5.5cm高，75cm宽，850cm长。在测试段前150cm处有一个安放室。典型的实验雷诺数在10800至18000范围内，中线上的流速为6～10米/秒。在实验中，这种壁面模式只用在被测试段的底板上。

表A列出了被测试壁面模式的尺寸大小，单位是毫米，这种壁面模式使得阻力减小；表B列出了使阻力增大的被测试的尺寸大小。方案2中，错位距离“e”被固定或规则，以及错位距离是任意的，其中e值表示一个平均值。方案3和4是在e固定的情况下测定的。

                  表A(尺寸单位：毫米)

            尺寸                       方案2

             a                          13.9

             b                          10

             c                          9.1

             d                          13.5

             e                          6.75

             f                          0.25

     表B(尺寸单位：毫米)尺寸     方案3   方案4   方案5   方案6   方案7a        36.5    31.3    10.0    10.1    18.3b        15.0    10.0    15.0    7.3     7.3c        12.5    7.7     12.5    6.6     6.6d        19.7    10.5    19.7    9.8     9.8e        0       0       0       0       0f        0.25    0.25    0.25    0.25    0.25

采用方案2，错位是任意的，(即随意交错排列模式)，在以下所示的不同流速时，使阻力减小。所得到的结果如下：(速度为7m/s时，一个壁单位大约等于0.05mm)：

V(米/秒)                     阻力变化

  5.86                         -9.95％

  7.03                         -13.5％

  8.39                         -8.1％

  9.48                         -6.7％

  10.05                        -6.5％

当错位距离固定时(即如图6所示那样统一的交错模式)，会导致阻力减小，但在相同的实验条件下，它比自由交错排列时小很多。这种自由布置可以应用在壁面凸起的高度和V形模式。

下面是取得的混合结果(即  阻力增大)：

 V(米/秒)          6         7        8

   阻力(％)      +42.5      +45.0    +47.0      方案3

                 +41.2      +42.7    +43.5      方案4

在这种混合情况中，后行后行的凸起之间的错距“e”为零。换句话说，就是当这些壁面凸起不交错排列时，混和效果被提高了。这种性质的模式适合于热交换表面等。

当这些凸起交错布置时，本发明可以用于任意的流体设备，如任何断面的管道，也可以用于容器，如机身、艇、船等，也可用于机翼，也可用于上面所描述实验中的流体管道。此外，本发明也可以用于主动的扰乱中，它是通过利用MEMS，压电、相应大小的电水力(electohydrodynamic)装置来实现，把它设置在端部，使产生的扰乱与滚动偶相互作用。

在每行中的V形单元也可以随意设置。也就是说，每一行中的单元的位置相对于中线上的单元，可以向前后端后一些布置。对这两种随意布置的形式，在实际应用中需在一定量的随意设置后，会重复这些模式的。

上面所给的阻力减小的结果是把带条纹的材料仅用在风道的被测试段的底部时所得到的实验结果。如果把条纹材料用在管道的整个壁面，则所带来的阻力减小将超过简单从直觉上就可以看到的阻力降低的两倍。在优化的条件下(在例子中给的是7m/s)，阻力降低可超过30％。如果在整个壁面上采用合适的条纹模式，则可以获得使混和效果提高的效果。

通过前面对本发明的最佳实施例进行述，可以明显地看出本发明中的方法和装置的优点和改善的效果。在不脱离权利要求中描述的本发明的实质和范围，可以对本发明作出各种改变。

Claims (23)

1、一种用于对边界层或其它具有约束壁的流体流动场内紊流进行控制的方法，其中的边界层或具有约束壁的流体流动场在壁面附近具有一个紊流壁面区域，这个紊流壁面区域的特征是在壁面附近有滚动偶或层流系统，它沿流动方向延伸，所说的方法包括利用被动方式向所说的壁面区域引进一个紊流来提高或抑制滚动偶的形成，从而增大或减小流动场内的紊乱。

2、一种用于增大边界层或其它具有约束壁的流体流动场内紊流的方法，所说的边界层或具有约束壁的流体流动场具有一个紊流壁面区域，这个紊流壁面区域的特征是在壁面附近有一个滚动偶或层流的系统，所说的滚动偶或层流的直径在功能上与流动的强度有关，这个滚动偶或层流沿流动方向延伸，所说的方法包括向所说的壁面区域引入一个被动的扰乱来促进所说的滚动偶的形成。

3、用于降低约束壁表面附近的流体流动场的紊流壁面区域内的紊流阻力的设备，其中所说的紊流壁区域的特征是在壁面附近有一个滚动偶或层流系统，所说的滚动偶或层流具有与流体流动的力量功能上相关的直径，所说的设备包含一个用于向所说的壁面区域引进一个被动扰乱的装置，所引进的被动扰乱可以抑制所说的滚动偶的形成。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于所说装置的形式是在所说的壁面上形成一个二维的凸起阵列，或在壁面内形成凹流。

5、根据权利要求3所述的设备，其特征在于所说的阵列包括在垂直于流体流动方向上以连续的列布置的众多凸起，后行中的凸起与于前行中的凸起交错排列。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于所说的凸起是规则地交错交错布置。

7、根据权利要求3所述的设备，其特征在于所说的凸起是随意交错的。

8、根据权利要求5所述的设备，其特征在于所说的凸起向流体中凸进的距离为5至15壁单位，其中一个壁单位为粘度除以密度和剪切力的平方根所得的值。

9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于所说的凸起呈V形，这些凸起的顶点朝向流体流动方向的上游。

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于所说凸起的顶角在50～90°范围内。

11、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在行内，凸起之间的节距在一个凸起为200～300壁单位的范围内。

12、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在流动方向上，这些凸起的节距在每200～400壁单位一行的范围内。

13、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在流动方向上这些凸起的尺寸大小在150～250壁单位的范围内。

14、用于使边界层或其它具有约束壁的流体流动场内紊流增大的设备，其中的边界层或具有约束壁的流体流动场具有一个紊流壁区域，这个区域的特征是在约束壁附近，有一个自然的滚动偶或滚动层流的系统，所说的滚动偶或层流具有在功能上与流动强度有关的直径，并且这个滚动偶或滚动层流沿流动方向延伸，所说的设备包括一个用于向所说紊流壁区域内引入一个被动扰乱的装置，这个被动扰乱可以促进所说滚动偶的形成。

15、用于增大壁面附近流体流动场的紊流壁区域内的紊流阻力的设备，其中所说的紊流壁区域的特征是在壁面附近有滚动偶或层流的自然系统，所说的滚动偶或层流具有在功能上与流动强度相关的直径，所说的设备包括用于向所说的紊流壁区域内引进一个被动扰乱的装置，它可以促进所说滚动偶的形成。

16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于所说的装置的形式是在所说的壁面上形成凸起的二维阵列，或在壁面内形成凹坑。

17、根据权利要求15所述的设备，其特征在于所说的阵列包括在垂直于流体流动方向上连续行的形式布置的众多凸起，后行中的凸起与前行中的凸起相互对齐。

18、根据权利要求17所述的设备，其特征在于所说的凸起向流体中凸进的距离在5～15壁单位范围内，其中一个壁单位为粘度除以流体密度和剪切力的平方根所得的值。

19、根据权利要求18所述的设备，其特征在于所说的凸起为V形，凸起的顶点朝向流动方向的上游。

20、根据权利要求19所述的设备，其特征在于所说的凸起的顶角在50～90°范围内。

21、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在每行内，凸起的节距在每200～300壁单位内设置一个凸起的范围内。

22、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在流动方向上凸起的节距在每200～400壁单位内设置一行的范围内。

23、根据权利要求9所述的设备，其特征在于在流动方向上凸起的尺寸大小在150～250壁单位范围内。

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