用于控制在有界壁的流体流动场中的紊流的方法和装置

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，P22 17-2226。

(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。

本发明控制具有紊流壁区域的有界壁流体流动场中的紊流，其 特征在于通过紊流壁区域引入一个干扰场使涡卷对或条纹系统在流 动方向上延伸，干扰场强联合到与涡卷对系统相互作用的传播结构 并改变该结构。涡卷对引起与涡卷对系统相互作用的这些传播结构 的变化 从而增加在一端上混合的紊流或减小另一端上的紊流阻力。最好是， 利用范围为100-300l＊的共振波长对干扰场进行调制，其中l＊是壁 单位的尺度。最好的干扰波幅范围是10-20l＊。

下面借助于附图中的实例来说明本发明的实施例，其中：

图1是表示有界壁的流体流动的截面图，其中截面取自与流动 方向垂直的方向；

图2是图1所示流体流动场的平面示意图，它表示邻近具有人字 形波纹的壁界的条纹或涡卷；

图3是穿过表示波纹的壁的截面图；

图4是一种变型的波纹；

图5是表示多个嵌入壁表面的传感器元件，例如加热器、超声 发生器等且取自垂直于流体流动方向的有界壁流体流动场的截面图；

图6是表示各传感器按时间顺序启动方式的标准时间图。

图7是图5所示表示按照图6所示由于按时序启动传感器而出 现的引入流体流动中的干扰的标准分布；

图8是表示将声发生器安装到实验区一侧上风洞实验的实验区 平面图；

图9是表示在实验区中通过槽将声干扰引入紊流中的实验区 的侧视图。

最近和到目前为止未公开的研究已经把焦点聚集到通过改变触 发模式来改变和控制紊流。在一系列计算机的作用下，已经考虑到 将紊流送入一个带有固定壁的通道。在作用过程中，将变形应用于 选择性选出的触发模式上。选择运动相位的随机性作为变形的工具。 事实上，这抑制了长波运动。没有特殊的有关相位随机的方法；也 没有其它变形方法能够工作。人们发现通过仅仅使传播模式的长的 波长相位随机化，就可以使流率增加量多于30％。与此相关的结果 表明可获得阻力减小多于40％的效果，除长波长模式以外的其它模 式的随机化产生很小的效果或没有效果。另一方面，传播模式的长 波长幅度的提高实际上增加了紊流混合。这为波和涡卷模式的相互 作用对爆裂机制是很重要的这一点提供了强有力的证明。

现在参照附图，标号10代表包含限制流体13的有界壁紊流场，流 体13包括以相对旋转的流体涡卷14、16的形式出现的局部结构。这些 涡卷的轴或条纹正如有时所要求的那样，位于流入图1所示的纸张中和 如图2中的箭头7所指示的流体流动方向上。这些涡卷的详细特征包含 在参考文件(1)第2223页上的图10中。简单地说，这些相对旋转的 涡卷具有一个为流动强度的函数的直径，和远远大于它们的直径的长 度(超过1000l＊)。如上所述，主要的涡卷直径大约是每对100l＊或2001＊。

在完全开发的紊流中，这些局部涡卷结构移向下游在通过壁区 附近时遭到破坏、变形并最终破裂。这是流动中出现的传播模式的 干扰结构和引起涡卷破裂的干扰结构之间的相互作用，而且接下来 是在界面附近的慢运动流体和主流中的快速运动流体进行混合并且 反之亦然。

本发明提供用于控制波传播模式的触发方式的被动和主动机构， 波传播模式引起紊流有界壁流动中涡卷破裂。按照本发明，用于控 制波传播模式的被动机构在容纳紊流的壁上具有诸如槽形、波浪形 等形状变化。例如，形状变化可以通过在壁上挖槽或通过在壁上附 加一个包括所需形状的粘接层来实现。当形状变化是波浪形时，它 们的波幅应该是在15-20壁单位的范围内以便包含紊流形成的峰的 位置。典型的波浪的波长或间隔将取决于控制紊流的目的。波浪的 取向，即，通过波浪峰之间的方向应该从流线方向倾斜大约15-30°。 也就是说，波浪的“传播”方向应该与流线方向成60-75°角。

图2表示涡卷14、16的平面图；而且叠在这些涡卷上的是传播 的波，波的方向由箭头18表示，其与流动方向17成±θ角。如上所 示，对于具有高含能量的波来说θ的范围是50-80°。为了计算传 播模式中可能出现的双向角，波浪最好是如图2所示的人字形图案20， 或是一个完全的交叉阴影或“滚花”图案。

为了增强混合和增加例如热传输(即增加紊流)和由此促进破裂 的爆发，应该要求波浪为图3所示的那种严格地成正弦波形。波长P 最好在100-300壁单位的范围内以便借助触发模式产生共振，而且 波幅a最好在15-20壁单位的范围内。

为了减小阻力，应该使波浪产生一个以模拟的方式在波中引入 相位干扰的波谱以实现上述的相位随机化。为获得此结果而采取的 方法是通过共振波长建立一个“不规则”的、和包括在波长中向下 分布的无共同尺度的正弦曲线的合适极值的波谱调制。图4给出了 一个模型的剖面曲线。

除了使用与波传播模型相互作用以控制紊流的被动机制以外， 本发明还考虑使用用于这一目的的主动装置。如图5所示，实施例3 0就是一个主动装置的实例。如图所示与壁齐平面安装的加热元件31、 32形成的传感器由加热控制形式的传感器控制部分33启动。加热器 控制部分33的工作是按时序向加热器发脉冲以便对与那些由有界流 动的壁表面上的波浪形产生的波谱有相同波谱的流体进行局部加热。 这样，局部加热将产生或者抑制或者增加有破裂活性密度变化的波 谱。

控制模式33可以按图6所示的顺序启动加热器以提供一个如图7 所示干扰的空间分布。在波型中引入相位干扰的波型或波谱可以通 过与上述波浪形相似的波形中的热谱来实现。

上述两种装置都经过触发装置进行控制，并且适合于稳态流动 的情况。在上述两个例子中，不管是由于表面变形还是由于适当定 位和热元件的脉冲而引起的波谱位移都是确定的。确定的波谱是由 用流动参数(例如雷诺数)表示的流动条件决定的。

其它方面的应用是在变化的流动条件下对紊流进行控制。安装 在壁上的加热元件可以装在与流动方向垂直的区域内。可以按时间 顺序对这些元件进行触发以便建立一个任意角度的倾斜波。通过适 当地触发或向加热元件的栅极发脉冲可以建立任何活性的波谱以增 强或减少破裂现象。这将允许把这些考虑应用到有可变流率(即可 变雷诺数)的情况。

借助于壁上安装的声发生器或在图5中由传感器所示位置上外部 安装的声发生器的声波振荡能够实现一方面使引入流体流动中的干扰 相位随机化，另一方面使该相位增加。触发模式的相位增加导致通 过标准波谱建立的流体流动的混合增加。通过适当地驱动声发生器 排可以产生形成与波浪形表面有关的上述波谱的异步声波振荡。利 用合适的声驱动器的程序可以对可变流率进行处理。

通过安装在壁上且在传播波谱中引起壁振动的、同时将振动依 次传输到流动中的传感器可以获得相位随机化或触发模式增加的相 同效果。声谱或发声器或振荡发生器可以在通道侧壁上、或管的圆 周上或是其它有界流动壁的壁上安装成排。

本发明还可以在一种有界壁的流体流动系统中进行，其中的流 体是象海水这样的电导体。在这种情况下，通过改变与壁有关或接 近壁的磁场或电磁场引入干扰从而以上述方式在传播结构或模式中 得到所需的干扰或有效变化。

本发明特别适用于在通道、弯道、管道、弯管、压缩器、泵和 造平中减小紊流。本发明还适用于内燃机的燃烧室，以及类似场合 以便增强燃烧室内的混合从而提高燃烧率。

如果紊流流体具有导电性或弱导电性，例如是海水的情况下，就 可以利用电装置来建立迄今所讨论的波谱。可以使用位于图5中传 感器位置上的安装在壁上的电极来产生电流，该电流可用于局部加 热或耦合到磁场以建立局部的力。可以利用这些特性来控制上面讨 论的相应波谱。最后，可以使用安装在壁上的应力计、压力计、热 电偶或任何其它合适的测量装置来探测开始触发的传播波。在具有 热、声或电布置的反馈回路中利用这些信号选择性地增强或消除逐 渐形成的触发传播模式。

虽然在此公开的本发明涉及有界壁的流体流动场中的紊流，然 而本发明的上述方法和装置也可以用于有紊流边界的流动中，例如 出现在流体中的相互靠近的运动物体。这样，本发明也适用于在空 气中运动的物体(例如，在地面上滚动的车轮、和飞机)和在水中运 动的物体(例如，船)等等。

此外，本发明的上述方法和装置也可以用于有界层流动的系统 中，其中的流体是导电性的，例如海水。在这种情况下，通过改变 与诸如在海水运行的船只这样的物体有关或接近这些物体的磁场或 电磁场来引入干扰从而以上述方式在传播结构或模式中产生所需的 干扰或产生变化。

在实际的物理实验中，当利用比较弱的声发生器将声干扰引入 风洞实验区时，观察到紊流中的阻力实际上减小了(9％)。图8表示 用于实验中和实验区中的音响共鸣器之间的关系。如图所示，风洞 实验区为大约57厘米高乘81厘米长，而且其长度大约为380厘米。声 发生器以大约65°角装在实验区的侧面。声发生器的形式是一个共鸣 箱，该共鸣箱具有约22厘米长的斜面部分和一端约61×22厘米的测量 部分，该端上装有扬声器且与扬声器相对的一端约为8×61厘米。靠近 斜面的部分是线性部分，线性部分的一侧长度约为42厘米而相对一侧 的长度约为72厘米。线性部分的自由端被截成一个1厘米高×61厘米长 的缝。该缝位于与实验区的壁成一条直线的位置上。

使用一根热导线在实验区的壁附近的两个相隔30厘米的点上进 行测量。其中一个点与共鸣箱的轴线相叠合并且设在实验区中大约 190厘米处。

在轴线的点上，相对于根据自由气流速度得到雷诺数为7.7×105 的流动来说，紊流界层的厚度是48毫米。阻力减小大约9％被认为是 由放大器驱动扬声器所致，根据由A.R Handler,E.Levich和L.Siro vich在物理、流体、中提供的研究报告“通过相位随机化使紊流通 道流动中的阻力减小”可知，随着在426赫兹7.0-360°范围内紊 流相位的随机化，放大器产生驱动频率为170赫兹的声频信号。引 入实验区中的声干扰用的频率或波长，按照本发明对它们的解释， 是在100-300l＊范围内(其中l＊是一个壁单位)。

通过本发明的上述最佳实施例可明显地得到由本发明的方法和 装置而获得的优点和改进的结果。在不违背如附加的权利要求所描 述的发明思想和范围的情况下可以进行多种改变和变型。