[发明专利]在壁面边界流动中消除湍流的方法

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）。