控制连续介质的边界或壁层的方法和装置

发明领域

本发明涉及空气流体动力学，以及热和质量的传送，特别是涉及控制连续介质 气体和/或液体的边界或壁层的问题。连续介质随受热的或等温的自由的流线型表 面运动，还随压力表面和/或能量传送通道的表面而运动。所说的表面是由该连续 介质加热的。本发明还特别涉及按权利要求1开头给出的方法，以及按权利要求8 的开头给出的装置。

众所周知，当流体通过一个表面时，边界或壁层是空气流体动力学阻力的一个 主要来源，参见Schlicht ing G.的“边界层原理”(“Theory of Boundary Layer”，莫斯科NAUKA出版社(1974年)，第712页)，同样它也是在从加热表面 到流体核心或从受热流体到流体流动的表面的热传递中确定热阻的因素。

1904年，L.Prandt l曾提出一种控制边界层的方法，即通过吸走移动的使流 动的壁层减速的介质粒子(参见Prandtl L.，Titiens 0.“流体和空气动力学” “Hydro-and Aerodynamic”IIV.1，2.M.，ONTI，1935年)。这种方法的本质是 众所周知的，用在层流和湍流的情况有很实用的效果。

通过所谓的二维人工表面粗糙方法强化热和物质传送而得到的主要结果是可能 在实际上任何几何形状的通道中使热传送增加1.5～3倍。在二维凸起具有三角形或 矩形、或者是它们构成围绕流线表面的绕线形状时，为了达到这种热传送的强化， 要求粗糙单元(roughness elements)的绝对高度是传递通道等效直径的0.02～0.03 倍。对于一个圆柱形流线表面，二维横槽的适当深度是传送通道等效流体直径的 0.03～0.05倍。通过二维人工粗糙表面而获得热和物质传送增强的方法，对于热 载体流动的瞬态模型和续发湍流模型是有效的。但是，使用这种方法要大幅增加流 体阻力，超过光滑通道的4～10倍。流体阻力的大幅增加是限制能量传送装置中为 增强热传送而使用二维人工表面粗糙方法的主要原因。

“单相流动的热传送管”(EP-A-85 107 484.9)的作者提出了热交换管的权利 要求，该热交换管的内表面至少具有一排沿螺旋曲线形的凸起(凹槽)，而这些凸起 的横截面的轮廓线在凸起的任何高度(包括底部)均是光滑的曲线。此时，朝着凸起 最高点方向横截面面积单调地减小，而凸起的高度是0.45～0.6mm。选择螺旋曲线， 使得沿圆周变化的间距(圆周间距，方位角间距)是3.5～5mm；沿轴向变化的间距是 5～15mm。然而，专利的作者并没有指出凸起的尺寸与间距之间的关系，这些凸起 的尺寸和间距可以说明凸起的位置，管的直径和热载体流动情况等特征。除此以外， 作者也没有说明截面曲线的半径，在该截面上，管表面光滑部分与凸起表面相共轭。

同时，从Kahnin E.K.，Draitser G.A.和Yarko S.A.等人在“通道中 热传送的强化”(“Intensification of Heat Transfer in Channels”，莫斯科 MACHINOSTROYENIE出版社，1981出版)一书第206页可知，这些曲线半径决定了 流体阻力值，从而也确定了热和物质的有效性。

在引作参考的PCT/RU 92 00 106中，通过详细的方程式定义了包含有很特殊形 状波纹的流线形表面，该详细的方程式至少花费了申请文件的一页半篇幅。在这个 方程式里，为确定一个静态表面形状，至少涉及8个不同的变量。特别是对有关流 动的介质与速度的关系方面仍然没有给出什么提示。

本发明目的是提供一种控制连续介质边界或壁层的方法和装置。介质包括了气 体、液体和/或其混合物。该方法很容易应用于改变所说边界层或壁层中流体的结 构，湍流程度，动量传递以及热量和/或混合物的传送。该装置的优点是减少流体 阻力，增加热和动量的传送。因此，可以在大量技术应用中使用。

本发明更进一步的目的是在不需要任何复杂而明确确定的表面形状的情况下， 给出有关形成具有非零螺旋性v-rot(v)≠0的二阶类龙卷风涡流的一种非常简单和 基本的方法。

上述目的可以通过权利要求1和8中所述的方法和装置达到。

值得注意的是发明者找到了一个形成二阶类龙卷风涡流很基本的解。它是流体 介质速度的函数，通过许多不同的物理力和作用，可以得到这个解。而各从属权利 要求主要是对较佳实施例一种选择的详细说明。该基本解是针对流体结构本身，特 别针对具有非零螺旋性v-rot(v)≠0的二阶类龙卷风涡流的形成。因此在基本技术 教诲的广泛意义上，本发明不受任何独特的装置或较佳实施例的限制。

下面进而更详细地给出在不同形体的影响下如何获得其流体结构的完整的方法。

附图的简单描述

本发明连同几个较佳实施例可以从以下的结合附图的详细说明中得到很好的了 解。

图1：流体穿过简单的凹槽形成涡流，特别是

图1-1：流体层状区内，对称涡流结构的照片和图；

图1-2：流体湍流区内，反对称涡流结构照片和图；

图1-3：图1-2所描述的涡流结构图。

图2：流体穿过凹型格栅的流体结构的目视图。

图3：由平均速度向量和第一表面法线所确定平面的横截面，更一般的发明实 施例也表明了在沿壁流方向(λ‖)上的作用具有空间重复性。

图4：表面的正视图，源自图3。

图5～图8：在表面附近产生电场和磁场的导体图。

图9和图10：由包含有对构成薄膜的可变形表面单元的作用源的表面的正视图。

图11：包含有通过可注入和吸走部分流动介质的空洞的作用源头的表面，图为 穿过这一表面的截面图。

图12：流体阻力以cd系数度量，图中以流动介质的速度为函数，将本发明的 表面3的cd-系数同已有技术的人工表面4相比较。

图13：流体阻力以cd-系数度量，图中以表面相对于流体介质的倾斜角(攻角) 为函数，将图12中的两表面的cd-系数作一比较。

较佳实施例的详细说明

在以下讨论中，黑体字描述了矢量。有下划线的数值是各个物理量的平均数值。 为了清楚和更好地理解以下发明概念，给出以下的定义。 重要表述的定义

表面(1)：在本发明的实施例中“表面(1)”可以是任何封闭或敞开容器的内表 面或外表面。特别指，任何四周是流动气体，液体和/或其混合物的管道或容器的 内表面，或是飞机、船舶或汽车的外表面。

粒子：在本发明的实施例中“粒子”可以是连续介质流的元(小的)体积(单元， 部分)或在气体，液体和/或其混合物中的固体粒子流。

近壁流：连续介质的近壁流是指在流线形壁(表面)的直接近邻(最近的)连续介 质流动。

壁区：是表面(1)附近的空间区域。该区域内，连续介质流动受表面(1)存在 的影响。

边界层厚度δ：是沿流线形壁表面法线方向上的一段距离。在该距离，流速达 到外部潜在流速的0.99(参照莫斯科NAUKA出版社1974年出版的Schlichting G.所 著的“边界层理论”(“Theory of Boundary Layer”)第712页，在此引作参考)。

压力通道的等效流体直径：是该通道四倍横截面面积与横截面周长之比。详 见莫斯科NAUKA出版社1974年出版的Schlichting G.“边界层理论”(“Theory of Boundary Layer”)第712页。

近壁流的特征流体尺寸：是对应于流速较大变化壁区的距离。

平均距离S：沿着流线形壁的法线从壁到粒子曲线轨迹的平均距离S是沿流线形 壁的法线从该壁到沿曲线轨迹运动的粒子之间的最大和最小距离之和的一半。

基本物理概述：形成本发明的重要方面是，研制一种控制流体阻力、热和质量 传送过程以及在流体边界层或壁层上的混合物的蒸发、沉积等的方法和装置的问题。 流体成份可以是气体、液体或它们的两相和多成份混合物，其运动状态可以是理想 的无压力，或者处于压力通道状态。后者是因开始形成大规模涡流结构以及因各种 动力(power)作用而导致大规模涡流结构进一步发展而引起的动力作用包括：压力、 由于表面形变(静态或非静态)而产生的流体通过表面流动、在流体壁区集中的交变 电磁场、连续介质的注入以及吸走。

通过对连续介质流施加作用来解决确定的任务。该作用是利用沿流线形表面法 线上距离yn之内的流体壁区域里的力场。该距离yn是边界层厚度δ的0.005～0.3 或压力通道的等效流体直径或者壁流的特征流体尺寸。该作用力使连续介质粒子的 速率矢量在空间和/或时间上交替改变。速度矢量的改变的方式是以角度α＝0.02 ～0.5弧度向流线形表面和从该表面离开，以及相对于连续介质壁流运动方向在角 度β＝0.02～0.3弧度范围之间左右转向。在这种情形，作用的强度是使得在离开 壁指定距离范围内力场作用下的连续介质粒子轨迹的最小曲率半径Rmin是沿流线 形壁的垂线到粒子曲线轨迹的平均距离S的2到30倍。而沿壁流动方向作用力的空 间重复范围为λ‖＝(3～30)yn。在穿过壁流的方向，作用力的空间重复范围为 λ1＝(1～10)yn。时间重复周期T为距离yn3到30倍除以边界层或壁层处的平均 速率v。这为二阶类龙卷风涡流的形成提供了依据。该涡流产生了边界层和壁层的 特定结构，确定了强度等级、动量、热和混合物等传送的等级。

确定的问题还可以通过在流动区内及时对壁流相关的重复作用来解决。沿壁流 方向，流动区域大小为L‖＝(15～150)yn；在穿过壁层方向，流动区域大小为 L1＝(5～50)yn。众所周知，连续介质的边界层或壁层的状态可以通过这些层的 速度场v，通过雷诺胁强vi′vj′；混合物湍流vi′c′和热湍流vi′T来表征。这里， v是一段时间间隔内的平均速度矢量；vi′是速度分量i的脉动；c′，T′是混合 物和热的脉动。自然，下面各脉动值的乘积表示在时间上的平均。vi′，vi′vj′， vj′T′(vj′c′)的动态值是用合适的方程式来描述的。该方程式确定了这些数值平 均速度场正切线上的变化。详见列宁格勒ENERGOATOMIZDAT出版社1987年出版 的Belov I.A.，Kudryavtsev N.A.，所著“热传递和管壁的阻力”(“Heat Trans ferand Resistance of Tube Banks”)第223页，其内容列作参考。在这 些方程式中，主要的几项，也就是用于预计vi′vj′和vi′T′值的变化方向的项， 被称为雷诺胁强和热流产生项，用这些值和平均速度相对于坐标的导数的乘积来表 示。按这种方法，平均速度矢量转向，会引起雷诺胁强项和热流产生项的变化。连 续介质粒子轨迹的曲率半径越小，该项就越大，它们对于vi′vj′和vi′T′值变化 的累加作用是与平均速度矢量的转向角成比例。

当平均速度矢量转向流线形表面作为规律，从流动的连续介质到流体经过的表 面之间的冲量和热传送减少；当上述矢量从流体所经过的表面转过来时，冲量和热 传送增加。速度矢量相对于壁流体方向，向左或向右转动，涉及到越过上述流体并 与流体流过表面的法线正交的冲量传送。

速度矢量的转动对平均速度的偏移产生作用，即对于平均速度绝对值在垂直于 平均速度矢量方向上的导数产生作用。改变雷诺胁强也会使速率分量相对于座标的 导数变化。在平均速率按三维改变的条件下，随着流体管伸长，这些因素导致各类 涡流结构形成，其中包括类龙卷风涡流，这些涡流结构在它们转向时又影响冲量， 热和混合物的传送。

在从壁算起的yn距离内，力场会对于连续介质流起作用，同时还会引起连续介 质粒子速度矢量转向。距离yn对应于在壁湍流机理中起着重要作用的相干大规模结 构的形成和转变区域。在连续介质的湍流中，这个距离通常处在边界层厚度δ的 0.005～0.3倍内，或压力通道的等效流体半径内，或壁流特征流动尺寸大小范围内。

通过及时地对相关壁流重复作用，可以控制连续介质边界或壁层。对壁流作用 的轨迹可延伸至接近20yn的流体动力学长度的范围。在这种情况下，依靠最初作用 力的种类和强度，在轨迹区域内，可以观察到冲量、热、或混合物的湍流所具有的 单调行为。对壁流重复作用的相关性，允许增加对流体单一作用所希望的影响，也 允许减少不希望的影响。

对流体的作用

对流体的作用可以通过在空间和/或时间上集中在壁区yn＝(0.005～0.3)δ的 距离范围之内的交变的磁场或者电场和磁场联合实施。

对流体的作用可以通过改变流线形表面的形状来实现。如同圆周自身固定的可 变形的薄膜，依靠空间和/或在时间上交替变化，导致数值和方向改变的压力梯度 下实现变形。

通过连续介质按空间和/或时间交替变化地在流体所经过表面的各个断面上吹 进和吸出，这也会对流体产生作用。

为了更好地理解这项发明的实质，请参见附图。

图3表示壁流区域图。图中示出v的速率分布；连续介质粒子轨迹A；从流体流 经的壁算起的距离yn的范围；壁流的边界层厚度δ或壁流体的特征流体尺寸；在 力场F的作用下，连续介质粒子速度矢量朝流线形表面B或从B离开的转角α； 从流线形壁到粒子弯曲轨迹A之间平均距离S；连续介质粒子轨迹A的最小曲率半 径值Rmin，沿壁流体方向λ‖的作用的空间重复范围。

图4示出了在流线形表面B的凸起上的连续介质粒子的两条轨迹A1和A2。并表 明了在力场F的作用下，连续介质粒子速度矢量v相对于壁流方向向左和向右转角 β和在穿过壁流方向λ1上的作用的空间重复范围。

图5、图6、图7和图8示出了导体a、b、c、d、e、f、g、h的示意图。这些 导体是磁和/或电场的源。按顺序，导体a、b和d中的电流值分别是I1、I2和I3。 对于技艺熟练的人都知道，为了产生电或磁力，要在导体a、b、c、d、e、f、g、h 上施加能量(激励)。进一步将其连接到控制系统上，为了清楚起见省去了计算机控 制系统。

图9和图10显示了流线形表面B上的区域C。该区域的形状按空间和/或时间交 替变化。表面C可以是一个周边保持密封的弹性膜，从而被表面1另一面上传送流 体的压力所激励。该流体压力可以由技艺熟练的人所熟知的方法对整个或部分薄膜 进行控制。

图11示出流线形表面B。B面上带有将连续介质注入的空洞D，还有将这些介 质吸出的空洞E。

这里必须提到，以下方法可以实现控制连续介质的边界或壁层。如图3和图4 所示，在壁区内，沿从流线形表面B的法线方向距离yn范围内，连续介质流体受到 力场F的作用。这个范围是边界层厚度δ的0.005～0.3倍，或是压力通道的等效流 体直径，或是壁流体的特征流体尺寸。借助于这种作用，连续介质粒子速度矢量按 空间和/或时间随即交替转向，转向的角度α是在0.02～0.5弧度的范围穿过流 线形表面，或者从该表面穿出，以及相对于连续介质壁流体的v或v的方向，在β 角0.02～0.3弧度范围，向左或向右转向。在这种情况下，作用强度是使从壁算 起指定距离范围内施加力F场的作用之下的连续介质粒子轨迹A的最小曲率半径 Rmin为沿从流线形表面B的法线从表面B到粒子弯曲轨迹A之间平均距离的2～ 30倍。而该作用的空间重复性在沿着流体方向为λ‖＝(3～30)yn，穿过流体方向 为λ1＝(1～10)yn。时间重复周期T是3～30yn距离被边界层或壁层处平均速率v 除。这样就为二阶类龙卷风涡流的形成作了准备，而这种涡流形成了边界层或壁层 结构。这个结构又决定了湍流的等级、冲量、热和混合物的传送。它们所产生的类 龙卷风三维结构，其持征是非零螺旋性v-rot(v)≠0。

按现代知识参见Levich.E.，shilman L.，Tur A.V.等人所著“流体动力学 湍流中粘滞性的起因”(“The Origin of Coherence in Hydrodynamical Turbulence”)physici A 176，Tg，9I，第241～296页，或Belyan A.V.， Moiseev S.S.，Chkhetiani O.G.等人所著“在螺旋性湍流中湍流动的粘滞性” (科学院报告(俄罗斯)1994年334卷44～46页“About Turbulent Viscosity in Helicity Turbulence”)，非零螺旋性涡流体区域诸如类龙卷风 结构，导致了湍流范围能量传送的异常效应，导致了负值湍流粘度，导致了在热传 送方向上雷诺模拟的紊乱。所以，类龙卷风涡流体控制和形成了边界或壁的流体的 结构并产生螺旋性湍流。

通过图5～图11所示的装置可以作用于流体。最终，电流通过导体a、b、c、d、 e、f、g(图5～图8)给它们加上电位(特别是导体h)。在这种情况下，穿过导体 的电流产生了磁场，由于在连续介质的壁层中感应的电流流动，磁场作用于壁流体， 其中包括由于电位差而形成的作用。根据上述方法，源动力F引起了连续介质粒子 速度矢量的转动，F＝σ[E×B+B×(B×V)]。电流导体有各种构形，特别有可能是 线性或区域性的。在这种情形下，导体的尺寸至少有一个是(0.005～0.3)δ。

凹状和/或凸状(c)，不论哪一种作用于流体(图9，图10)。此时，凹面(凸面) 的深度(高度)为(0.005～0.3)δ，凹面(凸面)主要部分的最小曲率半径Rmin为(0.1 ～1.0)δ。

利用固定在任何形状空洞周边的可移动薄膜(图7和图8示出的薄膜C示意图) 实现对流体施加作用。在上述情况，空洞直径(0.01～0.6)δ。薄膜中央部分的位 移是(0.005～0.3)δ。

将连续介质注入空洞内和吸出空洞外，实现对流体施加作用。在这种情况下， 空洞直径为(0.005～0.1)δ，这些空洞以2～10倍空洞直径的间距排列。注入或吸 出的连续介质的速度矢量与流线形表面构成一个夹角，该角度为0.1～1.0弧度。

提供凹面、凸面、薄膜，注入和吸出流体的孔洞等的装置，操作很简单。当流 体通过凹面、凸面、薄膜、空洞时，形成了压力梯度场，根据上述方法，梯度又引 起了连续介质粒子速率矢量在流体壁区域转向。

为了实践本发明的方法和实现本发明装置，可以使用上述不同的物理作用。此 外，还有一项供检测和优化条件的试验和误差技术，该技术在本文的权利要求中详 述。

对于给定的表面，可以从测量流体的速率矢量，这对技术娴熟的人是共知的； 还可通过大家都知道的技术将该矢量演示，如激光风速计、测量热交换、流体中粒 子位置目视记录等等。

首先，在表面1中或表面1附近，可从确定出作用源2的位置。通过测试流体 结构可以提供速率矢量v方向改变的信息，也就是平均速度矢量v的方向改变的信 息，可以提供与表面平行的延伸平面上和法线方向上的流体速度角分布信息，详见 图1-1～图1-2。

在所得结果的基础上，可以修正所施加场的强度，即感应力的强度或形变的深 度。从本质上看，这是在表面1法线方向上的分布的问题。

在测得的流体速度矢量的横向分布的基础上，第一源2作用的横向大小可以与 权利要求的定义相适应。

在第一源2优化之后，可以在如权利要求中所确定的距离上确定出第二和更多 源的位置。这样，对于几乎任何形状的任何表面以及对于几乎所有的专门的相关装 置，都可以逐步地获得合适源的网格。这种网格的实施例参见图2。另外，源2的 分布是在权利要求中专门确定范围之内随机的或按统计规律分布。显然，如船体、 飞机翼或车体等，在不同地方有不同的局部速度。因此，源2的最终位置也将相应 变化。

利用封闭容器，透明的初样模型可以在容器自身之内获得上述结果。

然而，关键在于发明的范围，不仅是使用位于上面分别描述的各个距离上的源 2的场，而且使用源2的很致密的场。例如磁线圈、电位盘、薄膜表面形变、和 /或流体注入吸出的空洞。当然这些并非同时采用。如果将个别错位源2的激励忽 略不计，分别控制对不同速度的局部作用是可能的。

进一步的发明实施例是基于使用的计算机控制系统。如在船体的情况下，控制 适当区域的冷却水的注入和喷出，该船体也可以有合适的电板或表面形变。

在飞机外表面，可以使用一个进气和出气口作为作用源。这些作用源与涡轮机 的几个不同等级的压力相连接。进、出口可单独使用，也可以同合适的表面形变组 合使用。

从图12和图13可以看到一个特殊发明实施例所产生的结果。图12示出了一个发 明表面的cd-系数(流体阻力的重要度量)与流体介质速度的函数关系。图中还将它 与以前的人工表面相比较，两种表面均放入风洞，按照技艺熟练的专业人员所共知 方法测量cd-系数。本发明的表面包含了球形的弯凹，即相对于平面，凹面有最大 深度0.5mm，半径约为4.5mm。弯凹边界之间的纵向间距，即流体方向的间距约为 2.0mm。几排弯凹以一个排在另一个下面而构成交错列阵，排间距离大致为9.5mm。 当介质是空气时，流体介质的速度按马赫数给出。当0.75马赫时，可以看到，先前 的飞机表面曲线4的流体阻力比曲线3的阻力高出15％，曲线3也就是本发明表面 的流体阻力。

为了示出倾角对发明效果的影响，将发明表面和先前的人工表面相对流体介质 的速度倾斜。正如所预计的那样，当倾角为0度时，可以得到最低阻力，也就是最 低cd系数。此时与图12中示出的当介质流动基本上与表面相平行的情况一样。很 清楚，在很宽倾角范围内，本发明对减少流体阻力的作用是有效的，倾角亦称攻角。