使用选择性波生成主动控制表面曳力的系统和方法

摘要

一种系统，包括表面(308)、致动器(304)和控制器(320)。该表面(308)具有在表面上流动的流体。致动器(304)耦合到表面(308)以使表面相对于流体移动。控制器(320)使致动器(304)使表面生成表面波，该表面波修改流体中的曳力。致动器(304)能够使表面生成乐甫波。

说明书

相关申请的交叉引用

本公开要求于2018年11月30日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS OF ACTIVECONTROL OF SURFACE DRAG USING SELECTIVE WAVE GENERATION”的美国临时申请No.62/773,805的优先权权益，该临时申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般而言涉及表面上流体流动的领域。更具体而言，本公开涉及使用选择性波生成来主动控制表面曳力的系统和方法。

背景技术

表面曳力(surface drag)是与移动通过流体的物体的相对运动相反作用的力。空中、水上和地面运输平台经历某种程度的表面曳力，这会导致速度更慢和燃油效率更低。

发明内容

一个实施例涉及一种系统。该系统包括表面、致动器和控制器。表面具有在表面上流动的流体。致动器耦合到表面以使表面相对于流体移动。控制器使致动器使表面生成表面波，该表面波修改流体中的曳力(drag)。致动器会使表面生成乐甫波(Love wave)。

另一个实施例涉及一种方法。该方法包括将致动器耦合到表面，该表面具有在表面上流动的流体。该方法包括由控制器使致动器使表面相对于流体移动以生成修改流体中的曳力的表面波。

本发明内容仅仅是说明性的并且不以任何方式进行限制。仅由权利要求书限定的本文描述的设备和/或过程的其它方面、发明性特征和优点将在结合附图进行的本文阐述的详细描述中变得明显，其中相似的附图标记指代相似的元素。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的横向表面波的示意图。

图2A-2B是根据本公开的实施例的表示乐甫波现象的示意图。

图3是根据本公开的实施例的选择性地生成表面波的流体控制系统的示意图。

图4A-4B是可以被用于实现图3的流体控制系统的表面声波设备的示意图。

图5是根据本公开的实施例的实现表面波生成的管道流系统的示意图。

图6是根据本公开的实施例的选择性地生成表面波的方法的流程图。

具体实施方式

在转向详细图示示例性实施例的附图之前，应当理解的是，本公开不限于本描述中阐述或在附图中示出的细节或方法。还应当理解的是，本文所使用的术语仅出于说明的目的，而不应当被认为是限制性的。

总体上参考附图，本文所述的系统和方法可以被用于主动控制表面上的曳力。曳力是与任何物体相对于周围流体移动的相对运动相反作用的力。曳力操纵技术在提高涉及流体在表面之上流动的系统的性能方面具有广泛的应用。例如，可以在所有方式的空中运输中(包括商用飞机、军用飞机、火箭、无人机和通用航空)提高效率和速度。减小曳力还可以提高地面运输(诸如火车、汽车和拖拉机拖车中)的效率。减小曳力同样可以使包括海运、个人划船和海底运输在内的水上运输受益。减小曳力还可以提升通过诸如天然气或石油管道中之类的管道输送流体时的效率。在广泛的雷诺(Reynolds)数范围内，操纵曳力可以是有价值的，包括通过水的海运所经历的相对高的雷诺数和无人驾驶航空器所经历的相对低的雷诺数。选择性地增加曳力对于移动通过流体的主体(诸如可移动的平台(例如，车辆))的制动、转向和其它控制也可以是有用的。能够主动控制物体的表面曳力不仅允许在最需要效率或速度时将表面曳力最小化，而且还允许通过选择性地增加表面曳力来获得更好的转向和制动能力。

空气在亚音速下充当粘性流体。移动通过空气的物体可以收集一组空气颗粒，随着物体的移动，物体倾向于沿着其拉动。由于分子粘附，靠近物体表面的空气颗粒倾向于以与物体大致相同的速度移动。当平板、翼型件或其它物体以给定的相对速度移动通过自由气流时，分子粘附导致具有低于相对自由流速度的相对速度的空气的边界层与物体表面相邻形成。边界层可以是包围物体的空气层，其中最靠近该物体的分子层的相对速度为零或接近零，并且其中在与物体相继较远点处的相对速度增加，直到其接近自由流的相对速度为止，在该点处达到边界层的外部极限。例如，对于翼型件，边界层可以包括翼型件和包围翼型件的空气质量之间的界面。与物体的尺寸维度相比，边界层可以相对小。边界层区域中的相对速度与自由流速度之间的差异有助于曳力。因此，增加边界层区域中的相对速度可以减小曳力，反之，减小边界层区域中的相对速度可以增加曳力。曳力可以由流中的扰动造成，从而阻碍表面附近的流动。此类干扰不会随着雷诺数的增加被阻尼，这会导致造成增加干扰的相互作用，诸如湍流涡流。干扰可以从表面流到外边界层，这会造成持续的干扰。本解决方案可以通过控制自由流的速度与边界层的相对速度之间的差异(诸如通过中断表面附近的扰动的生成)来控制表面曳力。

边界层中的湍流可以有助于曳力。湍流的边界层可以具有大量涡流，这些涡流将动量从边界层的较快移动的外部部分传递到更靠近表面的相对较慢的部分。照此，湍流边界层可以比层流边界层具有更大的表面摩擦，层流边界层具有更平滑的流，并且一般没有这些涡流。使边界层的湍流较小可以被用于减小曳力，反之，使边界层的湍流较大可以被用于增加曳力。

总体上参考图1-6，根据本公开的流体控制系统和方法可以被用于生成横向表面波，包括使用乐甫波，以主动控制与流过表面的流体对应的表面曳力。在一些实施例中，流体控制系统包括表面、致动器和控制器。表面具有在表面上流动的流体。致动器耦合到表面以使表面相对于流体移动。控制器使致动器使表面生成表面波，该表面波修改流体中的曳力。致动器会使表面生成乐甫波。

图1描绘了横向表面波的图示100，其可以被用于修改表面曳力。横向表面波可以具有诸如在传播方向(例如，平均流的方向)上传播的波长λ和频率ω以及波根据其横穿(例如，垂直于)传播方向移动的振幅A之类的特性。但是，横向表面波的有效性主要通过数值或计算方法来证明，并且现有的实施方式可能缺乏可行性。例如，横向表面波可以通过一系列分立的板来近似。但是，一个或多个板相对于彼此的运动会要求相当大的功率，并且在板的界面处生成不期望的流场，从而减小对表面曳力的期望影响。相对于连续表面，大量的界面会带来显著的磨损、可靠性和部署问题。Kagome晶格可以在有限的情况下(例如，以低频率和流速)缓解此类问题中的一些，但涉及膜的整体运动，这导致不期望的平面外运动。已经尝试了基于电活性聚合物的实施方式，但是遭受类似的问题并且使用寿命和可调整性受到限制。随着流动速度和频率的增加，现有的致动方法通常在功率或尺寸上不能很好地缩放。

可以在固体物质中产生的波运动(诸如乐甫波)的特征在于垂直于传播方向的侧面到侧面的起伏，类似于蛇状运动，但是振幅随深度减小。乐甫波是表面波的一种形式。瑞利波(Rayleigh wave)是像水波一样垂直于表面上下移动的波。相比之下，乐甫波在保留在表面的平面内的同时相对于其运动方向横向移动。例如，图2A描绘了作为时间的函数的乐甫波传播的表示200，并且图2B描绘了在表面处由乐甫波引起的变形的表示250。为了使乐甫波存在，必须将两种具有不同特性的材料堆叠在一起。顶层的剪切波速度必须小于底层材料中的剪切波速度。剪切波速度由刚性模量(G)除以材料密度(ρ)的平方根定义，如以下等式1所示：

本解决方案可以使得能够更有效地生成横向表面波，包括通过生成乐甫波来引起所产生的表面动作。本解决方案可以实现在期望方向上的连续局部变形，以实现功率高效和机械稳健的曳力控制。例如，本解决方案可以使用包括至少两层的多层堆叠(例如，多层堆叠)来生成乐甫波以引起最终的表面动作，所述至少两层包括第一层(例如，上述顶层)和一个或多个第二层(顶层的剪切波速度小于一个或多个第二层的剪切波速度，诸如上述的底层)。

现在参考图3，示出了流体控制系统300。流体控制系统300可以结合本文描述的各种流体控制系统的特征。流体控制系统300包括致动器304，该致动器304耦合到流体312在其上流动的表面308。致动器304使表面308相对于流体312移动。例如，致动器304可以移动表面308以生成横向表面波，诸如通过传播乐甫波。致动器304可以部署在限定表面308的主体316中，使得致动器304在主体316中传播乐甫波，以在表面312处生成横向表面波。在一些实施例中，致动器304耦合到块状材料(例如，主体316)，并且可以以静电或电磁中的至少一种方式被致动以传播乐甫波。致动器304可以通过使用乐甫波来避免造成表面308的平面外运动，这对于有效的曳力修改可能是不期望的(例如，致动器304可以不造成垂直于表面308的平面外运动；致动器304最多可以导致垂直于表面308的最小量平面外运动，表面308在表面308的平面外的移动小于阈值距离，例如，相对于流体312的粘性长度标度(scale)，阈值距离的尺寸标度为五个粘性长度标度单位或更小)。与表面308相比，致动器304可以具有相对小的尺寸；例如，致动器304可以附接到小于表面308的阈值部分(例如，小于表面308的75％；小于表面308的50％；小于表面308的25％；小于表面308的10％；小于表面308的5％；小于表面308的1％)。

在一些实施例中，表面308可以包括促进横向表面波生成的材料。例如，表面308可以包括被设计为在不同层中产生期望的剪切波速度差的超材料。可以对表面308进行掺杂或蚀刻，以实现对致动器304的致动的期望响应。

流体控制系统300包括控制器320。控制器320可以包括处理器324和存储器328。处理器324可以是通用或专用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理组件或其它合适的处理组件。处理器324被配置为执行存储在存储器328中或从其它计算机可读介质(例如，CDROM、网络存储、远程服务器等)接收的计算机代码或指令。存储器328可以包括一个或多个设备(例如，存储器单元、存储器设备、存储设备等)，用于存储数据和/或计算机代码以完成和/或促进本公开中描述的各种过程。存储器328可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器存储装置、临时存储装置、非易失性存储器、闪存、光学存储器或用于存储软件对象和/或计算指令的任何其它合适的存储器。存储器328可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或用于支持本公开中描述的各种活动和信息结构的任何其它类型的信息结构。存储器328可以经由控制器320可通信地连接到处理器324，并且可以包括用于执行(例如，由处理器324)本文描述的一个或多个过程的计算机代码。当处理器324执行存储在存储器328中的指令时，处理器324一般将控制器320配置为完成这样的活动。

控制器320可以生成控制信号以控制致动器304的操作，诸如，以使致动器304使表面308相对于流体312移动。控制器320可以基于期望的横向表面波特性来选择控制信号的参数(诸如频率和振幅)。例如，控制器320可以选择与流体312相对于表面308的曳力的预期变化相对应的控制信号的参数。控制器320可以执行将控制信号的(一个或多个)参数映射到使用致动器304的操作生成的所得横向表面波的参数的波函数，以及将所得的横向表面波的参数映射到流体312在表面308上流动时的曳力的对应改变的曳力函数，并且可以执行波函数和曳力函数以选择控制信号的(一个或多个)参数。如进一步参考图4A、4B和5所讨论的，控制器320可以生成控制信号以包括具有不同参数(包括不同相位)的多个控制信号。

控制器320可以控制致动器304的操作以控制表面波的一个或多个参数，诸如表面波的振幅、波长或频率中的至少一个(例如，振幅A、波长λ、ω，如图1中所描绘的)。例如，控制器320可以控制致动器304的移动的振幅、频率或间歇性，以控制表面的一个或多个参数。控制器320可以基于流体312的参数来控制表面波的一个或多个参数。例如，控制器320可以基于流体312的粘性长度标度η来控制致动器304的操作以实现用于表面波的一个或多个参数的目标值，其中η根据下面的等式3定义，其中ν是流体312的运动学粘度，τ

现在参考图4A-4B，描绘了流控制设备400。流控制设备400可以被用于实现参考图3描述的流体控制系统300，诸如以从控制器316接收控制信号并响应于该控制信号来实现致动器304的功能，包括生成横向表面波，这导致期望的曳力变化。流控制设备400可以被实现为表面声波设备。流控制设备400可以是相对薄且连续的，从而减轻诸如多板系统之类的现有系统的缺点。流控制设备400可以被用于生成各种表面波，包括横向表面波(例如，经由乐甫波生成)、驻波和行波。流控制设备400还可以被用于生成瑞利波和斯通利波(Stoneleywave)。但是，与乐甫波相比，此类波在控制曳力方面可能不太有效。由于流控制设备400的操作的相对小尺寸和电流要求，因此与现有系统相比，流控制设备400可以被用于实现期望的横向表面波生成，同时降低功率要求和磨损。

流控制设备400包括第一层404和第二层408。第一层404可以是引导层。第一层404可以由二氧化硅制成。第一层404可以包括传感器区域408，该传感器区域408可以包括一个或多个传感器，这些传感器检测在第一层404上流动的流体的特性和/或第一层404的运动的特性。第一层404可以具有比第二层412更低的剪切波速度或相速度，这可以使得能够生成乐甫波。

第二层412可以被用于生成波，诸如生成乐甫波。第二层412可以是压电层。第二层412可以包括切割的晶体，诸如AT切割的石英。第二层412可以包括铌酸锂。第二层412可以包括PVDF(例如，聚偏二氟乙烯；聚偏二氟乙烯)。

在一些实施例中，第二层412包括多个电极416，其可以被激励以生成导致期望的波运动的声波。多个电极416可以沉积在第一层404和第二层412之间的第二层412上。在一些实施例中，多个电极416包括至少一对电极图案416a、416b。电极图案416a、416b可以是叉指式换能器。例如，如图4B中所描绘的，电极图案416a可以包括电极420a的多个间隔的指状物，并且电极图案416b可以包括电极420b的多个间隔的指状物。可以选择电极图案416a、416b的定位和间距以控制使用第二层412生成的波的方向。可以选择电极图案416a、416b的尺寸以控制所生成的波的振幅和其它参数，从而控制曳力的改变。

在一些实施例中，在流控制设备400处(例如，从参考图3描述的控制器316)接收到的控制信号包括第一控制信号和第二控制信号。第一控制信号可以被用于激励电极图案416a，并且第二控制信号可以被用于激励电极图案416b。在一些实施例中，第一控制信号和第二控制信号具有不同的相位，可以选择它们以生成期望的表面波。在一些实施例中，第一控制信号和第二控制信号具有不同的频率，使得电极图案416a、416b可以基于电极图案416a的第一操作频率和电极图案416b的第二操作频率来生成拍频(例如，基于中间频率)。

如图4A中所描绘的，流控制设备400生成在方向428上传播的乐甫波(例如，沿着方向428作为时间的函数在不同位置发生)。乐甫波的传播包括第一层404的粒子在垂直于方向428的方向432上的位移，类似于图2A-2B中所描绘的。

现在参考图5，描绘了流动系统500。流动系统500包括流体502从中流过的主体，被描绘为管道504，该管道504具有部署在管道504的内表面508上的内层512。可以使用流体控制系统300和/或流控制设备400来实现内层512。例如，内层512可以包括压电材料，该压电材料可以被致动以生成横向表面波，该横向表面波改变流过管道504的流体502中的曳力。

现在参考图6，描绘使用选择性波生成来主动控制表面曳力的方法600。可以使用本文描述的各种系统和设备(包括流体控制系统300和流体控制设备400)来执行方法600。

在605处，将致动器耦合到表面，该表面具有在表面上流动的流体。该表面可以由流体在其上流动的主体限定，诸如可移动平台(例如，车辆)。该表面可以由流体流过的主体诸如管道限定。流体可以包括空气、水或油中的至少一种。在一些实施例中，表面包括被掺杂以实现对致动器致动的期望响应的半导体材料。在一些实施例中，致动器包括多个电极。例如，致动器可以包括表面声波设备，该表面声波设备包括叉指式电极图案。

在610处，控制器使致动器使表面相对于流体移动，从而生成修改流体中的曳力的表面波，诸如以增加或减小流体相对于表面的曳力。在一些实施例中，生成横向表面波。在一些实施例中，生成乐甫波。

在一些实施例中，生成剪切波。在一些实施例中，生成驻波。在一些实施例中，致动器包括多个电极，控制器使多个电极基于多个电极的第一子集的第一操作频率和多个电极的第二子集的第二操作频率来生成拍频。

如本文所使用的，术语“大致”、“大约”、“基本上”和类似术语旨在具有广泛的含义，与本公开的主题涉及的本领域普通技术人员的普通和公认用法相一致。审阅本公开的本领域技术人员应当理解的是，这些术语旨在允许描述所描述并要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围。因而，这些术语应当被解释为指示所描述并要求保护的主题的无实质或无关紧要的修改或变更被认为在所附权利要求书中陈述的本公开的范围内。

如本文所使用的，术语“耦合”是指两个构件彼此直接或间接地接合。这样的接合可以是静止的(例如，永久的或固定的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种接合可以通过两个构件彼此直接耦合、通过两个构件使用分离的中间构件和任何附加的彼此耦合的中间构件彼此耦合或者通过两个构件使用与两个构件之一一体地形成为单个整体的中间构件彼此耦合来实现。此类构件可以机械地、电气地和/或流体地耦合。

如本文所使用的，术语“或”以其包含性含义(而不是以其排他性含义)使用，使得当用于连接元件的列表时，术语“或”指列表中的一个、一些或全部元素。除非另有明确说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个”之类的连接性语言应理解为传达元素可以是X、Y、Z中任一个；X和Y；X和Z；Y和Z；或X、Y和Z(即，X、Y和Z的任何组合)。因此，除非另外指出，否则这种连接性语言一般不旨在暗示某些实施例要求存在X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个。

本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述附图中各种元件的朝向。应当注意的是，根据其它示例性实施例，各种元件的朝向可以不同，并且这样的变化旨在被本公开所涵盖。

结合本文公开的实施例描述的用于实现各种过程、操作、说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理组件可以用被设计为执行本文描述的功能的通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，或者是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，诸如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或多个微处理器，或任何其它这样的配置。在一些实施例中，特定过程和方法可以由特定于给定功能的电路系统执行。存储器(例如，存储器、存储器单元、存储设备等)可以包括一个或多个用于存储数据和/或计算机代码的设备(例如，RAM、ROM、闪存、硬盘存储器等)以完成或促进本公开中描述的各种过程、层和模块。存储器可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器，并且可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件，或用于支持本公开中描述的各种活动和信息结构的任何其它类型的信息结构。根据示例性实施例，存储器经由处理电路可通信地连接到处理器并且包括用于(例如，由处理电路和/或处理器)执行本文描述的一个或多个过程的计算机代码。

本公开预期任何机器可读介质上用于实现各种操作的方法、系统和程序产品。本公开的实施例可以使用现有的计算机处理器来实现，或者由为此目的或其它目的而被并入的用于适当系统的专用计算机处理器来实现，或者由硬连线系统来实现。本公开的范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括用于在其上承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这样的机器可读介质可以是可以由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。举例来说，这样的机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储设备，或者可以被用于以机器可执行指令或数据结构的形式承载或存储期望程序代码并且可以由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的任何其它介质。以上的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或功能组的指令和数据。

虽然附图和描述可以示出方法步骤的具体次序，但是除非上文另外指定，否则这些步骤的次序可以与所描绘和描述的次序不同。而且，两个或更多个步骤可以并发地执行或部分并发地执行，除非上面另有说明。这种变化可以例如取决于所选择的软件和硬件系统并取决于设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样，可以用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来完成所描述方法的软件实施方式，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。

重要的是要注意，各种示例性实施例中所示的流体控制系统的结构和布置以及流体控制方法仅仅是说明性的。此外，一个实施例中公开的任何元素可以与本文公开的任何其它实施例结合或利用。虽然上面已经描述了可以在另一个实施例中结合或利用的来自一个实施例的元素的仅一个示例，但是应当认识到的是，各种实施例的其它元素可以与本文公开的任何其它实施例结合或利用。