[发明专利]用于控制流动行为的声子材料

说明书

提供了一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料和使用该声子材料的方法。所述声子材料包括界面表面和子表面特征部。所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力而运动。所述子表面特征部从界面表面延伸。所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，其适于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位。所述界面表面适于响应于所述至少一个波的操纵/改变的相位以一频率、相位和振幅振动。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2014年7月28日提交的美国临时申请号62/030,048的权益，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文中作出全面阐述一样。

政府权利

本发明得到政府的支持，国家科学基金会授予的批准号为CMMI1131802。政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及声子材料在流量控制中的用途。

背景技术

对于空气、海洋和陆地车辆以及风力涡轮机、远程管道和其它应用而言，流体和固体表面之间在相对运动中的相互作用代表对层流至湍流过渡(以及随之而来的阻力增加)具有中心意义的动态过程。因为表面摩擦阻力在层流中比在湍流中低，所以可以通过延迟层流至湍流的过渡或通过控制并减弱湍流并因此减少完全发展的湍流中的壁剪切来潜在地实现阻力的减小。

流动控制领域可以回溯到史前时期，当时原始工具和武器(例如长矛和箭头)具有故意包括的结构以与周围流动有利地相互作用。这些结构是通过经验演化而不是对底层物理的理解而出现的。在二十世纪初才出现流动控制的科学方法，普朗特提出边界层理论，伴随着流动分离的物理学的解释，以及边界层控制的若干实验验证。在这一创新性贡献之后，流动控制的概念，特别是对于壁边界流的概念，成为流体力学中的主要研究推动力，并且其发展经历了若干阶段或时代，在这些阶段或时代中已经广泛研究了许多被动和主动方法。除了别的以外，这些方法包括表面的流线形成，表面加热或冷却，将聚合物添加剂注入到流动中，在表面上添加肋，在表面吸附、吹和涂覆柔顺材料。

无论用于刺激流动行为变化的方法如何，当识别并清楚地理解特定的不期望的流动结构和机制时，可以实现成功的干预。关于流动过渡和表面(表面摩擦)阻力增大，不稳定扰动的成核和增长是非常有害的。由于它们的波性质，可以阻碍这些干扰的增长(即它们的稳定性)，并且可以通过波消除或至少一定程度的相消干涉来诱发对这些干扰的增长的阻碍。已经使用主动装置广泛地研究波消除或叠加。然而，特别是当应用于复杂条件时，结果是平常的，所述复杂条件例如是主扰动在各种频率、相位和取向上引起残余扰动而使得控制过程棘手的流动过渡。

在壁边界流动中，流体和固体的动力学行为之间存在相互依赖性。这种依赖性由界面处的流体-结构相互作用的性质塑造。因此，原则上可以想到使用流体来影响固体的组成性响应，并且反过来，通过调整固体表面的弹性动力学响应来有利地改变“流场的特性和布置”。如上所述，在文献中已经通过利用具有显著柔顺弹性特性的表面探讨了后一概念。当在摩托艇上进行实验(在该实验中，具有海豚状表皮的模型在海中被拖曳并表现出减小超过50％的阻力)后，Max O.Kramer在1957年介绍了这个概念。虽然这一结果后来由于缺乏良好受控的实验条件而受到质疑，但是它已经帮助引起了对该主题的许多兴趣。对如层流至湍流过渡和表面摩擦阻力的一样复杂的现象的随之而来的效果进行了大量研究。柔顺表面主要允许沿着表面的瑞利弹性波，并且由于其低刚度允许大的表面运动的可能性，并因此允许与流动的显著相互作用。其主要优点源于其无源性和简单性，即，不需要主动控制装置、电线、管道和槽等。这是经济上期望的益处，实际上是关键的，因为在操作主动装置中消耗的能量可能经常超过通过改变流动节省的能量。然而，该概念具有若干关键的缺点。大的壁运动是最不希望的，因为它增加了表面不稳定性(例如颤振)的可能性。此外，在需要承载负荷的材料的激烈的操作环境中，通常不欢迎相当高的柔顺度。更根本的缺点是没有明确的途径机械调谐以便进行利用流动的精确的频率相关干预和相位相关干预。