通過(guò)在垂直于壁的方向上使得流速分布變形而消除壁面流中的湍流的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上設(shè)及通過(guò)在垂直于壁的方向上使得流速分布變形而消除壁面流中 的端流的方法和設(shè)備。 陽(yáng)00引在壁面流（wall-boundedflow)中、即在附著在壁上的流體流中，壁將剪力施加到 流體上，并且因此，流的邊界層在流由壁影響的約束流的壁上形成。
[0003] 在運(yùn)種邊界層中，取決于實(shí)際的狀況，流可W是層流化的或端流化的，邊界層中的 阻力（化ag)對(duì)于端流的情況而言比對(duì)于層流的情況更高。因此，層流化的流經(jīng)常具有比端 流化的流更大的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)是因?yàn)閷恿骰牧鞴?jié)能，例如像將流體累送經(jīng)過(guò)管或通道。特別 地，本發(fā)明設(shè)及經(jīng)過(guò)管的流。
[0004] 甚至更加特別地，本發(fā)明設(shè)及將雷諾數(shù)巧巧nolds-number)高于2700(在此，流中 的端流正常不會(huì)衰變從而流正常在其整個(gè)下游延展過(guò)程中仍是端流化的）的端流化的流 重新層流化。
[0005] 在此所使用的雷諾數(shù)在管中定義為及e=CD/v，其中打是平均流速或平均流體 速度，D是管直徑，而V是運(yùn)動(dòng)粘度（就經(jīng)過(guò)管的流體而言；否則的話，針對(duì)經(jīng)過(guò)通道的或 附著在約束流的壁上的流的Re的對(duì)應(yīng)定義將被適用）。
【背景技術(shù)】
[0006] BjdraH〇；rf等人（Eliminating1:u;rbulenceinspatiallyintermittent flows，Science19，March2010:V〇1. 327,No. 5972,pp. 1491-1494)公開(kāi) 了消除經(jīng)過(guò)管 的空間間歇的流中的端流的方法，其中層流化的流的拋物線速度分布被變形成端流團(tuán) (化rbulentpuff)上游的柱塞形速度分布。速度分布的變形減小了經(jīng)過(guò)端流團(tuán)的后部的軸 向速度的突然變化。在數(shù)字化模擬中，該方法被報(bào)道成功消除了端流。在已經(jīng)消除端流團(tuán) 之后，為了使得拋物線型速度分布變形所需的力甚至可W被停止，并且流繼續(xù)重新層流化。 然而，化f等人指出，在端流層流交界處的速度分布的變形在實(shí)踐中無(wú)法像模擬的那樣被容 易地實(shí)現(xiàn)。因而，他們提出了在最初的端流團(tuán)的上游采用第二端流團(tuán)，W在最初的端流團(tuán) 的后端處使得速度分布變形。當(dāng)?shù)诙肆鲌F(tuán)在最初的端流團(tuán)上游的一短距離處被引入時(shí)， 運(yùn)兩個(gè)端流團(tuán)之間的短距離不足W允許拋物線型速度分布完全產(chǎn)生，盡管流在兩個(gè)團(tuán)之間 不會(huì)端流化?；痜等人能夠說(shuō)明引入附加的團(tuán)允許在附加的團(tuán)下游、甚至在最初的團(tuán)的區(qū) 域中保持管中的流體是層流化的。然而，他們指出他們的簡(jiǎn)單的策略僅針對(duì)足夠小的雷諾 數(shù)在管中Re<2000、在通道中Re<1400W及在導(dǎo)管中Re<1800是工作良好的，并且該策略隨 著Re增加而效率降低，并且在空間擴(kuò)張端流的極限達(dá)到（在管中Re〉2500)之后，該策略失 效。另一方面，在他們的數(shù)字化模擬中，使得速度分布變形W重新層流化端流的基本內(nèi)容甚 至對(duì)于較大的雷諾數(shù)而言證明是成功的并且將阻力降低兩倍W上。 陽(yáng)007] W02012/069472A1公開(kāi)了通過(guò)使得約束流的壁的一區(qū)段在流的方向上移動(dòng)來(lái)消除 壁面流中的端流的方法和設(shè)備。流的邊界層中的靠近約束流的壁的移動(dòng)的區(qū)段的流體與其 的對(duì)于固定的約束流的壁的零速度相比被加速。由于流的恒定的平均速度，運(yùn)導(dǎo)致了速度 分布的變形，其原因在于緊鄰約束流的壁的邊界層中的流體與流的中屯、處或甚至邊界層之 外的流體之間的最大速度差被減小。由此，邊界層中造成端流的剪力被減小。運(yùn)種已知的 方法不僅能夠避免端流的出現(xiàn)，還能夠重新層流化已經(jīng)端流化的流。如果流在運(yùn)種已知的 方法所執(zhí)行的點(diǎn)的下游沒(méi)有被再次擾動(dòng)的話，則流可W無(wú)限地保持層流化（雷諾數(shù)允許的 話）。因而，運(yùn)種已知的方法的局部應(yīng)用可W在例如像完整管或通道的長(zhǎng)距離內(nèi)減小流的阻 力。因而，運(yùn)種已知的方法可W用于顯著地減小為了累送諸如氣體和液體的流體所花費(fèi)的 能量。移動(dòng)的區(qū)段應(yīng)當(dāng)包含約束全流的壁的流的合適的長(zhǎng)度取決于約束流的壁的區(qū)段被移 動(dòng)的速度。大體上，流的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)至少是大約20個(gè)邊界層厚度那樣長(zhǎng)。在該文獻(xiàn)中，邊界 層厚度被定義為約束流的壁影響流的厚度。如果約束流的壁包圍了流在其中流動(dòng)的管腔， 像管或通道的情況那樣，則約束流的壁的移動(dòng)的區(qū)段至少大約是20個(gè)該管腔的直徑那樣 長(zhǎng)。根據(jù)該已知的方法約束流的壁的區(qū)段沿流的方向所移動(dòng)的速度優(yōu)選至少是在未移動(dòng)的 約束流的壁中流的平均流速的大約40%。
[0008] 盡管W02012/069472A1的方法和設(shè)備證明在消除壁面中的端流是成功的，但是該 方法和設(shè)備的應(yīng)用是相當(dāng)復(fù)雜的，原因在于連續(xù)移動(dòng)約束流的壁的區(qū)段并不是容易實(shí)現(xiàn) 的。
[0009] 因而，存在容易應(yīng)用的方法和設(shè)備的需求，所述方法和設(shè)備通過(guò)在垂直于壁的方 向上使得流速分布變形而消除壁面流中的端流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 根據(jù)本發(fā)明，該需求通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求1、11和14的方法W及獨(dú)立權(quán)利要求8、12 和15的設(shè)備得到滿足。運(yùn)些方法和設(shè)備中的一些的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中限定。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及一種消除壁面端流化的流中的端流的方法，所述壁 面端流化的流包括垂直于壁的方向上的流速分布。該方法包括W下步驟：通過(guò)靠近壁局部 地產(chǎn)生附加的滿流來(lái)使得與所述壁垂直的方向上的流速分布變形，其中，所述附加的滿流 在約束流的壁的在端流化的流的主流方向上延伸的區(qū)段中分布，并且其中，所述附加的滿 流的軸線主要平行于約束流的壁延伸。
[0012] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及一種通過(guò)使得垂直于壁的方向上的流速分布變形 來(lái)消除壁面端流化的流中的端流的設(shè)備。該設(shè)備包括多個(gè)滿流發(fā)生器，所述多個(gè)滿流發(fā)生 器靠近約束流的壁布置，在約束流的壁的在端流化的流的主流方向上延伸的一區(qū)段中分 布，W及被構(gòu)造成在端流化的流中產(chǎn)生附加的滿流，所述附加的滿流的軸線主要平行于約 束流的壁延伸。
[0013] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及一種消除壁面端流化的流中的端流的方法，其中 所述壁面端流化的流包括與所述壁垂直的方向上的流速分布，所述方法包括W下步驟：通 過(guò)將偏流結(jié)構(gòu)局部浸沒(méi)在端流化的流中來(lái)增加靠近約束流的壁的流速，從而使得與所述壁 垂直的方向上的流速分布變形。
[0014] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及一種通過(guò)使得垂直于壁的方向上的流速分布變形 來(lái)消除壁面端流化的流中的端流的設(shè)備，所述設(shè)備包括：在端流化的流中浸沒(méi)的偏流結(jié)構(gòu)， 所述偏流結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成增加靠近約束流的壁的流速。
[0015] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及另一種消除壁面端流化的流中的端流的方法，其 中所述壁面端流化的流包括與所述壁垂直的方向上的流速分布。所述另一種方法包括W下 步驟：通過(guò)將分流結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在端流化的流中來(lái)平衡與所述壁垂直的方向上的流速分布，從 而使得與所述壁垂直的方向上的流速分布變形。
[0016] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明設(shè)及另一種通過(guò)使得垂直于壁的方向上的流速分布變 形來(lái)消除壁面端流化的流中的端流的設(shè)備。所述另一種設(shè)備包括：在所述流內(nèi)浸沒(méi)的分流 結(jié)構(gòu)，所述分流結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成平衡垂直于壁的方向上的流速分布。
[0017] 無(wú)論在另一種方法還是在另一種設(shè)備中，所述分流結(jié)構(gòu)至少在端流化的流的運(yùn)樣 一橫截面區(qū)域內(nèi)延伸，在該橫截面區(qū)域內(nèi)，端流化的流中的流速高于端流化的流在其主流 方向上的平均速度，所述分流結(jié)構(gòu)包括多個(gè)密集堆疊的具有恒定橫截面的通孔。所述通孔 在端流化的流的主流方向上延伸，并且每個(gè)通孔的長(zhǎng)度是其直徑的至少=倍。
[0018] 本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀附圖的解釋W(xué)及詳細(xì)說(shuō)明之后將清楚本發(fā)明的其它特征 和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)清楚的是所有附加的特征和優(yōu)點(diǎn)被涵蓋在由權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的范 圍內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 參照附圖可W更好地理解本發(fā)明。附圖中的各組成部分并不必是成比例的，重點(diǎn) 實(shí)際上是清楚地說(shuō)明本發(fā)明的原理。在附圖中，在所有的視圖中相同的附圖標(biāo)記代表對(duì)應(yīng) 的部件。
[0020] 圖1是作為時(shí)間的函數(shù)的W端流化的流為開(kāi)始的流的端流的運(yùn)動(dòng)能量的曲線圖， 其是針對(duì)有限的時(shí)間段，靠近約束流的壁的附加的滿流的產(chǎn)生被模擬。
[0021] 圖2示出了將要浸沒(méi)在端流化的流中的W便層流化該端流化的流的流偏向結(jié)構(gòu) 的實(shí)例。
[0022] 圖3示出了作為時(shí)間的函數(shù)的W端流化的流為開(kāi)始的流的端流的曲線圖，而滑移 材料（slipmaterial)在特定時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始在約束端流化的流的壁中被模擬。
[0023] 圖4是為了層流化流所需的約