用于减小流体动力学结构的噪声的微结构 |
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| 申请号 | CN201210099506.3 | 申请日 | 2012-03-29 | 公开(公告)号 | CN102733859A | 公开(公告)日 | 2012-10-17 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | A·古普塔; S·M·米勒; T·梅德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 流体 动 力 学结构，所述流体动力学结构包括表面和安装在所述表面上的微结构。所述微结构由多个峰和谷(即，凸肋)限定并且包括过渡区域，在所述过渡区域中每个峰和谷沿着所述结构的弦长从第一轮廓变化到第二轮廓。所述峰和/或谷可以具有沿着所述微结构的长度的可变尺寸。所述峰和谷沿着所述弦长可以是非线性的并且具有从所述第一轮廓至所述第二轮廓的平滑过渡。所述微结构的不同轮廓被优化以减小由流过所述结构的紊动流体流生成的噪声。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流体动力学结构，其包括： |
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| 说明书全文 | 用于减小流体动力学结构的噪声的微结构技术领域[0001] 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[0003] 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。 [0004] 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[0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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 [0008] 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； [0009] 图2是图1的微结构的部分透视图； [0010] 图3是沿着图2的线3-3获得的微结构的截面图； [0011] 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； [0012] 图5是沿着图4的线5-5获得的微结构的放大截面图； [0013] 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。 [0014] 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； [0015] 图8是沿着图7的线7-7获得的微结构的放大截面图； [0016] 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； [0017] 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； [0018] 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 [0019] 图16和17是根据本发明的实施例的微结构的示意性透视图，该微结构具有在具有第一轮廓的第一区域和具有第二轮廓的第二区域之间呈现平滑过渡的凸肋。 具体实施方式[0020] 现在参考图1，流体动力学结构10包括根据本发明的实施例的安装在结构10的表面14上用于减小噪声的微结构12。 [0021] 在所示实施例中，流体动力学结构10包括翼型。然而，将领会流体动力学结构可以是针对空气动力学设计的任何结构，例如风力涡轮机叶片、飞行器发动机的内表面和外表面、飞行器的翼等。当在本文中使用时，“微结构”是具有随机或有组织型式的二维或三维轮廓的结构，每个结构具有大约0.1mm或以下的尺寸。 [0022] 如图2和3中所示，微结构12呈小尺寸表面凸起(所谓的“凸肋”)的形式，其中小纵向肋(峰18和谷20)的阵列在表面14上的流体流动方向上在表面14的紊流边界层区域上延伸。 [0023] 包含凸肋的薄片或片材可以是不透明的、半透明的或透明的。在一个实施例中，薄片或片材包括具有含峰18和谷20的构型外表面的构型外背衬层(outer patterned backing layer)16、可选的中间层22、粘结层24和可选的、暂时的、可去除的保护内衬26，例如美国专利No.7,070,850中所述，该专利的内容通过引用被合并于本文中。在另一个实施例中，微结构12不包括增强层并且包括具有暴露构型外表面(outer exposed patterned surface)的背衬层16、粘结层24和可选的、暂时的、可去除的保护内衬26，例如美国专利No.5,848,769中所述，该专利的内容通过引用被合并于本文中。在又一个实施例中，微结构12包括具有暴露构型外表面的构型外背衬层16、粘结层24和背衬层和粘结层之间的过渡层22以及可选的、暂时的、可去除的保护内衬26。 [0024] 还是参考图1，薄片或片材可以呈菱形面板的形式，所述面板以彼此相互移位的关系安装在结构10的表面14上。如图1中所示，一个面板或“尺度”可以包含总共五个凸肋(峰18和谷20)，所述凸肋被定向为它们垂直于(或平行于)流体动力学结构10的半径r的纵向方向。换句话说，凸肋(峰18和谷20)可以被定向为它们平行于流体动力学结构10的弦长1的纵向方向和流体动力学结构10上的气流的方向。 [0025] 如图4和5中所示，微结构12的峰18具有楔形构造并且由通道间隔S彼此间隔，所述楔形构造具有限定大约5度至大约60度之间的锥角A、高度H的侧壁W。微结构12的谷20具有距离D。在一个实施例中，峰18具有在通道间隔S的大约30％至大约70％之间的范围内的高度H。 [0026] 本发明的一个方面在于微结构12包括第一区域24、第二区域26和其间的过渡区域28，在所述第一区域中微结构12的峰18和谷20具有第一或初始轮廓(即，通道间隔S、高度H和距离D)，在所述第二区域中微结构12的峰18和谷20具有第二或最后轮廓。微结构12的峰18和谷20在沿着流体动力学结构10的弦长1的预定距离处的过渡区域28中从第一轮廓变化到第二轮廓。当然，本发明可以用多于两个的轮廓实施。例如，微结构12可以具有沿着弦长1的三个、四个、五个或更多个轮廓。 [0027] 在一个实施例中，第二或最后轮廓大致为第一或初始轮廓的尺寸的两倍。例如，第一或初始轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔S、高度H和距离D，并且第二或最后轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔2*S、高度2*H和距离2*D。因此，第一或初始轮廓中的锥角A与第二或最后轮廓相比更小。 [0028] 将领会本发明不受第二或最后轮廓限制，所述第二或最后轮廓具有第一或初始轮廓的两倍的相对尺寸。本发明可以用第一轮廓和第二轮廓之间的任何相对尺寸实施，使得相对尺寸因数是大于1的有理数。另外，将领会本发明可以用多于两个的轮廓实施，并且本发明可以用沿着结构10的弦长1的适当位置处的3、4、5、...个轮廓实施。 [0029] 在图6所示的另一个实施例中，微结构12的峰18和/或谷20包括一个或多个微尺度表面纹理19，所述微尺度表面纹理具有比峰18和谷20的高度H小得多的高度G。微尺度表面纹理19可以是任何期望的轮廓形状，例如角锥形、圆形、矩形、多边形等。微尺度表面纹理19的目的是使微结构12的表面为超疏水性的。必须注意的是在针对这些应用(例如，风力涡轮机叶片和飞行器发动机)设想的情况下，风速的范围将从好几十(60至80m/s)至数百米每秒。在这样的情况下，保证超疏水性所需的这些表面纹理的尺度比为噪声减小设计的微结构或凸肋的尺度小得多。作为例子，在针对风力涡轮机叶片付诸实践的表现中，用于大约1米的弦长的翼型的微结构大于大约100微米，而所需的表面纹理的尺度在大约100纳米的数量级上，如Tao Deng等人的“Nonwetting of impinging droplets on textured surface”中所述(Applied Physics Letter 94，133109(2009))。 [0030] 应当认识到微结构12的谷20的距离D可以被消除(D等于零)，如图7-10中所示。应当理解，与图4-6中所示的具有相同通道间隔S和高度H的微结构12相比，其中谷 20的距离D为零的微结构12的锥角A将更大。 [0031] 凸肋的峰的高度和间隔取决于紊流边界层的内壁区域中的壁变量。无量纲间隔(s+)和高度(h+)可以被定义为： [0032] [0033] [0034] 其中u*是摩擦速度，v是运动粘度，τw是壁剪切应力，并且ρ是密度。Walsh(1990)(Walsh，M.J.1990：Riblets.Viscous Flow Drag Reduction，Progress in Astronautics and Aeronautics，Vol.123，D.M.Bushnell and J.Hefner，eds.，AIAA，pp.203-261)显示对于最大减阻，s+位于10至15之间，并且减阻对于h/s比率不很敏感，只要它位于0.5至2之间。针对噪声减小的设计遵循关于s+和h+的类似原则，并且h/s比率的小心控制与根据不同局部边界层特性的要求优化3个变量的原则一致。定制具有沿着流动方向合适的和不同的间隔、高度和比率的演变边界层是本发明能够实现的主要优点；在减小噪声的实践步骤中，相比早先使用并且报导(例如，美国专利Nos.7,108,485、 7,070,850和6,729,846)的具有恒定高度和间隔的常规凸肋，这能够显著减小更大的噪声。在风洞实验中看到的改进显示，与具有恒定高度和间隔的常规凸肋相比，本发明在大约 0Hz至大约5000Hz的频率范围内提供增加的噪声减小。 [0035] 在另一个实施例中，峰18可以具有沿着微结构12的整个长度L的可变高度H，如图11中所示。换句话说，图11中所示的微结构12定性地类似于图7中所示的实施例，区别在于在图11中过渡区域28在微结构12的整个长度L上延伸，而在图7中过渡区域28不在整个长度L上延伸。也应当注意的是在图11中，在过渡上相对尺寸增加的因数为1.5，而在图7中，相对尺寸增加的因数为2。因此，图11中的微结构12包括第一区域24、第二区域26和在微结构12的整个长度L上延伸的过渡区域28，在所述第一区域中微结构12的峰18和谷20具有第一或初始轮廓(即，通道间隔S、高度H和距离D)，在所述第二区域中微结构12的峰18和谷20具有第二或最后轮廓，在所述过渡区域中微结构12的峰18和谷 20沿着流体动力学结构10的弦长1从第一轮廓不断地变化到第二轮廓。 [0036] 在所示实施例中，第二或最后轮廓为第一或初始轮廓的尺寸的大约1.5倍。例如，第一或初始轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔S和高度H，而第二或最后轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔1.5*S和高度1.5*H。将领会本发明不受第二或最后轮廓具有第一或初始轮廓的1.5倍相对尺寸的限制，并且本发明可以用第一轮廓和第二轮廓之间的任何相对尺寸实施。例如，本发明可以用大于1的有理数的相对尺寸因数实施，例如1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0等。另外，将领会本发明可以用多于两个的轮廓实施，并且本发明可以用沿着结构10的弦长1的适当位置处的3、4、5、...个轮廓实施。 [0037] 类似地，谷20可以具有沿着微结构12的整个长度L的可变高度H，如图12中所示。换句话说，图12中所示的微结构12定性地类似于图7中所示的实施例，区别在于在图12中过渡区域28在微结构12的整个长度L上延伸，而在图7中过渡区域28不在整个长 度L上延伸。因此，微结构12包括第一区域24、第二区域26和在微结构12的整个长度L上延伸的过渡区域28，在所述第一区域中微结构12的峰18和谷20具有第一或初始轮廓(即，通道间隔S、高度H和距离D)，在所述第二区域中微结构12的峰18和谷20具有第二或最后轮廓，在所述过渡区域中微结构12的峰18和谷20沿着流体动力学结构10的弦长 1从第一轮廓不断地变化到第二轮廓。 [0038] 在所示实施例中，第二或最后轮廓为第一或初始轮廓的尺寸的大约1.5倍。例如，第一或初始轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔S和高度H，而第二或最后轮廓的峰18和谷20可以具有通道间隔1.5*S和高度1.5*H。将领会本发明不受第二或最后轮廓具有第一或初始轮廓的1.5倍相对尺寸的限制，并且本发明可以用第一轮廓和第二轮廓之间的任何相对尺寸实施，使得相对尺寸因数是大于1的有理数。另外，将领会本发明可以用多于两个的轮廓实施，并且本发明可以用沿着结构10的弦长1的适当位置处的3、4、5、...个轮廓实施。 [0039] 目前为止，微结构12的凸肋(即，峰18和谷20)沿着微结构的弦长L是大致线性的。然而，将领会本发明不受线性凸肋限制，并且本发明可以用非线性凸肋实施，如图13-15中所示。在该备选实施例中，微结构12的凸肋沿着微结构12的长度L在形状上为大致正弦形(或S形)，并且具有可变高度H。 [0040] 在又一个备选实施例中，微结构12可以具有呈现具有第一轮廓的第一区域24和具有第二轮廓的第二区域26之间呈平滑过渡的凸肋，如图16和17中所示。如图16中所示，微结构12从具有四个峰18和谷20平滑地过渡到两个峰和谷20(即，4∶2过渡)。将领会凸肋的特定非线性形状不限制本发明，并且本发明可以用其他非线性形状(例如C形等)实施。 [0041] 本发明的微结构12的多个轮廓允许根据流过流体动力学结构10的紊流边界流而优化噪声减小。 |
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