在壁面边界流动中消除湍流的方法

摘要

为了在壁面边界流动中消除湍流，流动边界壁面的移动区段在流动边界壁面上沿流动方向移动。

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种用于在壁面边界流动中消除湍流的方法和装置。

在壁面边界流动中，即流体在壁上流动的过程中，壁将剪切力施加到流 体上，并且其结果是，流动边界层在流动受到壁影响的流动边界壁面处形成。

在这种边界层中，根据实际情况，流动可以是层流或湍流，湍流情况下 的边界层中阻力远高于层流情况下。这样，层流与湍流相比通常具有巨大优 势，即，例如在通过管件或通道泵送液体的情况下，层流将节约能量。

背景技术

在Hof等人所著的《消除空间间歇流动中的湍流》（《科学》期刊， 2010年3月19日，第327卷，第5972号，第1491-1494页）中，合著者和 本发明的发明人公开了一种在空间间歇流动中消除通过管件的湍流的方法， 即，层流的抛物线形速度分布在湍流喷噗部（turbulent puff）的上游处变形成 插塞形的速度分布，该文章的全部内容通过引用合并于此。速度分布的变形 使遍及湍流喷噗部后部的轴向速度的突变降低。在数值模拟中，这种设计方 式被描述成能够消除湍流。一旦使湍流喷噗部消除，甚至可以不施加使抛物 线形速度分布变形所需的力，并且流动仍然继续层流化。然而，Hof等人指出， 在湍流与层流界面处使速度分布变形不能像模拟中一样易于在实践中应用。 因此，他们提出在原湍流喷噗部的上游处使用第二湍流喷噗部，以改变在原 喷噗部后端处的速度分布。当在距原喷噗部的上游处较短距离处引入第二湍 流喷噗部时，尽管流动在两个喷噗部之间的不是湍流，两个喷噗部之间的较 短距离也不足以允许抛物线形速度分布充分演变。Hof等人示出，引入附加喷 噗部允许在附加喷噗部的下游、甚至在原喷噗部的区域处使管件中的流动保 持为层流。然而，他们指出，他们的简单策略仅在雷诺数Re足够小的情况下 （在管件中Re<2000、在通道中Re<1400以及在导管中Re<1800）起作用， 并且其效果随着Re升高而逐渐降低，一旦湍流空间膨胀到特定范围（在管件 中Re>2500）则该策略失效。另一方面，在他们的数值模拟中，使速度分布 变形以将湍流再层流化的基本概念即使在较大雷诺数的情况下也被证明是成 功的，并且将阻力降低到二分之一以下。

仍然需要有这样一种可行的方法和装置，其消除壁面边界流动中的湍流， 并且在较大雷诺数的情况下也起作用。

发明内容

在一方面中，本发明涉及一种在壁面边界流动中消除湍流的方法，该方 法包括在流动边界壁面上沿流动方向使流动边界壁面的移动区段移动的步 骤。

在另一方面中，本发明涉及一种用于消除壁面边界流动中湍流的装置， 该装置包括驱动单元，所述驱动单元在流动边界壁面上沿流动方向使流动边 界壁面的移动区段移动。

通过对以下附图和详细描述的审查，本发明的其它特征和优点将对于本 领域中技术人员而言显而易见。在此这种附加特征和优点旨在被包括在如权 利要求所限定的本发明范围内。

附图说明

本发明能够参照以下附图而被更好地理解。附图中的部件不必按比例绘 制，而是通过所布置的重点而清晰地展示出本发明的原理。在附图中，相似 附图标记表示全部这些视图中的相应部分。

图1展示根据本发明的新方法的总体概念；

图2是测量数据的图表，其表示出新方法的效果；

图3是高于图2的雷诺数的情况下获得的测量数据的另一图表，其也表 示出新方法的效果；

图4示出用于应用图1的控制区域的装置的第一实施例；并且

图5示出用于应用图1的控制区域的装置的第二实施例。

具体实施方式

在此使用的雷诺数被定义为其中是平均流动速度或平均流 速、D是管件直径并且ν是运动粘度（这是对于通过管件的流动而言；若非 如此，则用于通过通道或在流动边界壁面上的流动的雷诺数的相应定义将被 应用）。

在新方法中，流动边界壁面的一区段或一部分沿流动方向在流动边界壁 面上移动。在该流动边界壁面的移动区段的区域中，在靠近流动边界壁面定 位的流动边界层中的流体与其相对于固定的流动边界壁面的零速度相比被加 速。在恒定的平均流速的情况下，这导致速度分布的变形，即，与流动边界 壁面紧邻的边界层中的流体与流动的中心、或乃至边界层外的流体之间的最 大速度差降低。这直接导致产生湍流的边界层中的剪切力减小。事实上，新 方法不仅能够避免湍流出现，而且还能够将已经出现的湍流流动再层流化。 如果流动在执行新方法处的下游没有被再次扰动，那么所述流动可以无限期 保持为层流状态（在雷诺数允许的情况下）。因此，局部应用新方法可以在非 常长的距离（例如整个管件或通道）上降低流动阻力。因此，可以使用新方 法以显著降低泵送流体（如气体和液体）所消耗的能量。

在新方法中，流动边界壁面的移动区段优选地基本上包括在流动长度上 界定流动的全部流动边界壁面。换言之，在该全部流动长度上优选地没有任 何流动边界壁面的部分不沿流动方向移动。

在移动区段应当包括全部流动边界壁面的流动状态下，适当的流动长度 将取决于流动边界壁面的移动区段的移动速度。大体上，该流动长度应当是 边界层厚度的至少约20倍、优选地是至少约25倍、并且更优选地是至少约 30倍。在这种情况下，边界层厚度可以被定义为这样一个厚度，其中流动边 界壁面在所述厚度上会影响流动。如果流动边界壁面包围流动流经的管腔（如 在管件或通道的情况下），那么流动边界壁面的移动区段的长度大体是该管腔 直径的至少约20倍、优选地至少约25倍并且更优选地至少约30倍。

在沿流动方向移动的流动边界壁面的区段的下游端，应当注意不要在离 开该区段的层流流动中引发任何新的湍流。这可以通过流动边界壁面的移动 区段与相邻的固定区段之间的平顺过渡而实现。这种平顺过渡可以通过使移 动区段仅在其下游端包括流动边界壁面的一部分而实现。另一种在移动区段 下游端避免湍流的手段是使流动流经的自由流动截面保持恒定、或略微增加 该自由流动截面以使流动减速。

在新方法中，流动边界壁面中除移动区段以外的其它区段不沿流动方向 移动、而是被固定。流动边界壁面的这种固定区段既可以被布置在移动区段 的上游、也可以被布置在下游。

已指出的是，在根据本发明沿流动方向移动的流动边界壁面的区段上应 当延伸的流动长度可以取决于所述区段移动的速度。大体上，该速度应当是 在不动流动边界壁面上的流动的平均流速的至少约40%、优选地是至少约 50%、并且最优选地是至少约60%。然而，即使流动边界壁面的移动区段的 速度低于流动的平均流速的40%，也可以实现层流化效果。

另一方面，原则上而言，流动边界壁面的移动区段的速度甚至可以高于 不动流动边界壁面上的平均流速。然而，优选地，该速度在其最大值处与不 动流动边界壁面上的平均流速大约相同，这使得本发明更易于应用非常快速 的流动。

具体地，流动边界壁面的移动区段可以是全部流动边界壁面的部分覆盖 部。例如，流动边界壁面的移动区段可以是覆盖流动边界壁面的一部分的膜。 这种膜能够在闭环中循环，膜环的反馈分支在流动区域外延伸。

在新方法的具体实施例中，其中流动边界壁面包围流动流经的管腔，流 动边界壁面的移动区段是该管腔的区段的内衬。该内衬可以沿流动方向从初 始位置移动到结束位置、并且随后回退到其初始位置。该回退可以在流动不 在流动边界壁面上流过时发生，或者该回退可以相反于流动方向以下述速度 进行，所述速度远低于当流动中的湍流待被层流化时沿流动方向的速度。本 发明的该实施例十分适合于流动中待再层流化的湍流不长期出现的情况。

新方法易于在高于3000、4000乃至5000的高雷诺数情况下起作用。

新的用于消除壁面边界流动中的湍流的装置包括驱动单元，所述驱动单 元在流动边界壁面上沿流动方向使流动边界壁面的区段移动。对应于新方法 的细节已经描述新装置的细节中的大部分。

本发明能够应用到沿一个方向受到流动边界壁面界定的流动，例如在飞 机或潜艇表面上的流动。然而，本发明尤其适合于通过管件和通道的流动。 在此，移动区段可以是管件或通道的局部内衬。具体地，该局部内衬可以是 膜管、或包括用作管件或通道的一部分的内衬的膜带。

现在更详细地参照附图，图1示出流体2沿流动方向3流经的管件1。在 管件1的位于控制区域5上游的部分4中，流体2呈现湍流流动6。在控制区 域5中，该湍流流动6被层流化，从而使得层流流动7离开控制区域5，并且 只要层流流动7不被再次扰动成湍流，层流流动7就在管件1的控制区域5 下游的部分9中保持为在管件1的横截面上具有典型抛物线形速度分布8的 层流。

图2是压力差Δp的图表，该压力差在根据图1的管件1的部分9上测量 并且规范化成通过部分9的层流的压力差Δp_层流。该规范化的压力差在雷诺数 Re=3240的流动时间上绘出。在开始处，在图1的控制区域5中使流动层流 化的根据本发明的方法尚未启动（“控制关闭”）。随后该方法启动（“控制打 开”）。由此，通过规范化的压力差指示出的流动阻力下降到层流流动的阻力 或压力差。因此，在控制区域5中使流动层流化将使通过管件1的下游部分9 的流动阻力降低到二分之一以下。

图3是压力差Δp的另一图表，该压力差在根据图1的管件1的部分9上 测量并且规范化成通过部分9的层流的压力差Δp_层流。该规范化的压力差在雷 诺数Re=5900的流动时间上绘出。该测量结果的进一步细节和基本结果与图 2中相同。然而，本发明的效果在雷诺数更高的情况下甚至更好：在控制区域 5中使流动层流化在此将使通过管件1的下游部分9的流动阻力降低到3.5分 之一以下。

图4示出获得根据图2和图3的数据的控制区域5的具体设置方式。作 为管件1局部内衬的管件区段10在流动方向3上沿管件1的轴线移动。管件 区段10的壁11沿径向方向将流体2完全包围在管件1内，即，壁11在管件 区段10的区域中是整个流动边界壁面12。此外，内衬10限定流动边界壁面 12的区段13，所述区段13通过根据本发明的管件1沿流动方向3移动，并 且所述内衬10还可以被指定为管件1的内衬14。图4中示出的区段13的相 对长度过短。在产生图2中结果的实验中，区段13长度是管件1的直径的约 60倍。

图5示出管件1中的控制区段5的另一实施例。在此，管件1的内衬14 由围绕定位在管件1外的滚子17作为闭环16延伸的膜带15制成。在该实施 例中，流动边界壁面12的移动区段13停留就位，即，尽管膜带15的与流体 2接触的部分沿流动方向3移动，所述移动区段13不沿管件1移动。

本发明的优选实施例可以做出多种变形和改型而不背离本发明的精神和 原理。所有这些改型和变形旨在在此被包括在如由以下权利要求所限定的本 发明范围内。

附图标记列表

1   管件

2   流体

3   流动方向

4   部分

5   控制区域

6   湍流流动

7   层流流动

8   抛物线形速度分布

9   部分

10  管件区段

11  壁

12  流动边界壁面

13  移动区段

14  内衬

15  膜带

16  闭环

17  滚子