CN105209766A - 通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流 - Google Patents

Abstract

为了在包括垂直于壁的方向的流速分布的壁面湍流化的流中消除湍流，垂直于壁的方向的流速分布被变形。这可以通过靠近约束流的壁在湍流化的流中产生附加的涡流来实现，所述附加的涡流在约束流的壁的在其主流方向上延伸的一区段中分布，并且所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。使得垂直于壁的方向的流速分布变形还通过以下方式实现，通过将偏流结构局部浸没在湍流化的流中来增加靠近约束流的壁的流速或者通过将分流结构局部浸没在湍流化的流中来平衡垂直于壁的方向的流速分布。

Description

通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流

技术领域

本发明大体上涉及通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流的方法和设备。

在壁面流(wall-boundedflow)中、即在附着在壁上的流体流中，壁将剪力施加到流体上，并且因此，流的边界层在流由壁影响的约束流的壁上形成。

在这种边界层中，取决于实际的状况，流可以是层流化的或湍流化的，边界层中的阻力(drag)对于湍流的情况而言比对于层流的情况更高。因此，层流化的流经常具有比湍流化的流更大的优势，这是因为层流化的流节能，例如像将流体泵送经过管或通道。特别地，本发明涉及经过管的流。

甚至更加特别地，本发明涉及将雷诺数(Reynolds-number)高于2700(在此，流中的湍流正常不会衰变从而流正常在其整个下游延展过程中仍是湍流化的)的湍流化的流重新层流化。

在此所使用的雷诺数在管中定义为其中是平均流速或平均流体速度，D是管直径，而ν是运动粘度(就经过管的流体而言；否则的话，针对经过通道的或附着在约束流的壁上的流的Re的对应定义将被适用)。

背景技术

Horf等人(Eliminatingturbulenceinspatiallyintermittentflows,Science19,March2010:Vol.327，No.5972，pp.1491-1494)公开了消除经过管的空间间歇的流中的湍流的方法，其中层流化的流的抛物线速度分布被变形成湍流团(turbulentpuff)上游的柱塞形速度分布。速度分布的变形减小了经过湍流团的后部的轴向速度的突然变化。在数字化模拟中，该方法被报道成功消除了湍流。在已经消除湍流团之后，为了使得抛物线型速度分布变形所需的力甚至可以被停止，并且流继续重新层流化。然而，Hof等人指出，在湍流层流交界处的速度分布的变形在实践中无法像模拟的那样被容易地实现。因而，他们提出了在最初的湍流团的上游采用第二湍流团，以在最初的湍流团的后端处使得速度分布变形。当第二湍流团在最初的湍流团上游的一短距离处被引入时，这两个湍流团之间的短距离不足以允许抛物线型速度分布完全产生，尽管流在两个团之间不会湍流化。Hof等人能够说明引入附加的团允许在附加的团下游、甚至在最初的团的区域中保持管中的流体是层流化的。然而，他们指出他们的简单的策略仅针对足够小的雷诺数在管中Re<2000、在通道中Re<1400以及在导管中Re<1800是工作良好的，并且该策略随着Re增加而效率降低，并且在空间扩张湍流的极限达到(在管中Re>2500)之后，该策略失效。另一方面，在他们的数字化模拟中，使得速度分布变形以重新层流化湍流的基本内容甚至对于较大的雷诺数而言证明是成功的并且将阻力降低两倍以上。

WO2012/069472A1公开了通过使得约束流的壁的一区段在流的方向上移动来消除壁面流中的湍流的方法和设备。流的边界层中的靠近约束流的壁的移动的区段的流体与其的对于固定的约束流的壁的零速度相比被加速。由于流的恒定的平均速度，这导致了速度分布的变形，其原因在于紧邻约束流的壁的边界层中的流体与流的中心处或甚至边界层之外的流体之间的最大速度差被减小。由此，边界层中造成湍流的剪力被减小。这种已知的方法不仅能够避免湍流的出现，还能够重新层流化已经湍流化的流。如果流在这种已知的方法所执行的点的下游没有被再次扰动的话，则流可以无限地保持层流化(雷诺数允许的话)。因而，这种已知的方法的局部应用可以在例如像完整管或通道的长距离内减小流的阻力。因而，这种已知的方法可以用于显著地减小为了泵送诸如气体和液体的流体所花费的能量。移动的区段应当包含约束全流的壁的流的合适的长度取决于约束流的壁的区段被移动的速度。大体上，流的长度应当至少是大约20个边界层厚度那样长。在该文献中，边界层厚度被定义为约束流的壁影响流的厚度。如果约束流的壁包围了流在其中流动的管腔，像管或通道的情况那样，则约束流的壁的移动的区段至少大约是20个该管腔的直径那样长。根据该已知的方法约束流的壁的区段沿流的方向所移动的速度优选至少是在未移动的约束流的壁中流的平均流速的大约40％。

尽管WO2012/069472A1的方法和设备证明在消除壁面中的湍流是成功的，但是该方法和设备的应用是相当复杂的，原因在于连续移动约束流的壁的区段并不是容易实现的。

因而，存在容易应用的方法和设备的需求，所述方法和设备通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流。

发明内容

根据本发明，该需求通过独立权利要求1、11和14的方法以及独立权利要求8、12和15的设备得到满足。这些方法和设备中的一些的优选实施例在从属权利要求中限定。

在一个实施例中，本发明涉及一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，所述壁面湍流化的流包括垂直于壁的方向上的流速分布。该方法包括以下步骤：通过靠近壁局部地产生附加的涡流来使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形，其中，所述附加的涡流在约束流的壁的在湍流化的流的主流方向上延伸的区段中分布，并且其中，所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。

在另一个实施例中，本发明涉及一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备。该设备包括多个涡流发生器，所述多个涡流发生器靠近约束流的壁布置，在约束流的壁的在湍流化的流的主流方向上延伸的一区段中分布，以及被构造成在湍流化的流中产生附加的涡流，所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。

在另一个实施例中，本发明涉及一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，其中所述壁面湍流化的流包括与所述壁垂直的方向上的流速分布，所述方法包括以下步骤：通过将偏流结构局部浸没在湍流化的流中来增加靠近约束流的壁的流速，从而使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形。

在另一个实施例中，本发明涉及一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备，所述设备包括：在湍流化的流中浸没的偏流结构，所述偏流结构被构造成增加靠近约束流的壁的流速。

在另一个实施例中，本发明涉及另一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，其中所述壁面湍流化的流包括与所述壁垂直的方向上的流速分布。所述另一种方法包括以下步骤：通过将分流结构浸没在湍流化的流中来平衡与所述壁垂直的方向上的流速分布，从而使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形。

在另一个实施例中，本发明涉及另一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备。所述另一种设备包括：在所述流内浸没的分流结构，所述分流结构被构造成平衡垂直于壁的方向上的流速分布。

无论在另一种方法还是在另一种设备中，所述分流结构至少在湍流化的流的这样一横截面区域内延伸，在该横截面区域内，湍流化的流中的流速高于湍流化的流在其主流方向上的平均速度，所述分流结构包括多个密集堆叠的具有恒定横截面的通孔。所述通孔在湍流化的流的主流方向上延伸，并且每个通孔的长度是其直径的至少三倍。

本领域技术人员在阅读附图的解释以及详细说明之后将清楚本发明的其它特征和优点。应当清楚的是所有附加的特征和优点被涵盖在由权利要求书所限定的本发明的范围内。

附图说明

参照附图可以更好地理解本发明。附图中的各组成部分并不必是成比例的，重点实际上是清楚地说明本发明的原理。在附图中，在所有的视图中相同的附图标记代表对应的部件。

图1是作为时间的函数的以湍流化的流为开始的流的湍流的运动能量的曲线图，其是针对有限的时间段，靠近约束流的壁的附加的涡流的产生被模拟。

图2示出了将要浸没在湍流化的流中的以便层流化该湍流化的流的流偏向结构的实例。

图3示出了作为时间的函数的以湍流化的流为开始的流的湍流的曲线图，而滑移材料(slipmaterial)在特定时间点开始在约束湍流化的流的壁中被模拟。

图4是为了层流化流所需的约束湍流化的流的壁处的作为湍流化的流的雷诺数的函数的正则化的滑移速度的曲线。

图5是将要浸没在湍流化的流中以便使得湍流化的流层流化的分流结构的实例的前视图；并且

图6是图5的分流结构的轴向剖视图。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，在靠近约束湍流化的流的壁的湍流化的流中局部地产生附加的涡流。这些涡流因为湍流化的流已经由于其的湍流引入了涡流而是“附加的”涡流。附加的涡流在湍流化的流的主流方向上混合/混淆了流速的分布，湍流化的流在垂直于约束流的壁的方向上出现。没有附加的涡流的话，湍流化的流的速度分布是塞形的(plug-shaped)，具有朝向壁的陡峭的速度下降。流速的这种陡峭的下降造成了连续地馈送湍流化的流的湍流的剪力。由此，这种湍流不会由于高于大约2700的雷诺数而衰变。然而，附加的涡流混合/混淆了这种塞形的流速分布。具体地，附加的涡流将来自流的中心的高流速的流的部分体积与来自流的边界的低流速的那部分体积混合。由此，陡峭的速度梯度被推动更加靠近约束流的壁，并且总体更加均匀的流速分布得以实现，这不再馈送湍流化的流的湍流。实际上，附加的涡流造成了如果在约束流的壁的沿湍流化的流的主流方向的足够的长度上延伸的一个区段上产生的湍流化的流的湍流的衰变。该足够的长度取决于附加的涡流的参数。对于更加强烈的附加的涡流而言，足够的长度将比更弱的涡流的情况更短。关于该足够的长度的更多的细节将在以下给出。附加的涡流的轴可以被指向成附加的涡流在垂直于壁的方向上高效地混合湍流的流速分布。为此目的，附加的涡流应当至少主要地平行于约束流的壁延伸。附加的涡流在约束流的壁内平行于湍流化的流的主要方向延伸。然而，附加的涡流也可以沿着约束流的壁在周向上延伸。在湍流化的流的湍流已经在附加的涡流的局部产生的下游衰变之后，只要没有新的湍流引入则流仍旧是层流化的。实际上，流可以永远维持层流化。然而，如果新的湍流被引入的话，则附加的涡流可以再次被局部产生从而也造成该新的湍流的衰变。

必须被认为是非常令人吃惊的是，在湍流化的流中产生附加的涡流是一种使得湍流化的流的湍流衰变、也就是说使得流层流化的合适的措施。常规地，在流中产生涡流仅仅造成了流变得湍流化的危险。

在本发明的更详细的实施例中，附加的涡流通过以下方式被产生，将流体通过约束流的壁注射到湍流化的流中。这是一种产生轴线具有合适方向的附加的涡流的容易的方式。注射到湍流化的流中的流体可以与构成湍流化的流的流体相同。特别地，注射到湍流化的流中的流体可以取自所述流。

为了实现湍流化的流的湍流的期望的衰变，流体应当以湍流化的流在湍流化的流的主流方向上的平均速度的至少大约15、优选至少大约20％、以及更优选至少大约25％的速度被注射。如果附加的涡流在垂直于壁的方向上以一相对的程度增加了湍流化的流的湍流的速度分量，则实现了附加的涡流的期望的效果、即混合流速分布。因为湍流的速度大体上是在湍流化的流在主流方向上的平均速度的5％的级别内，所注射的流体的上述速度将造成流速分布的期望的混合，即使受限体积的流体被注射到流内。

最高效地，流体垂直于约束流的壁地并因而垂直于流的主要方向地被注射到湍流化的流中，以获得附加的涡流的轴线的期望的方向。

甚至更加特别地，通过将流体通过喷嘴注射到湍流化的流中可以产生附加的涡流。优选地，这些喷嘴在约束流的壁的其中产生附加的涡流的区段内均匀地分布。

在本发明的替代实施例中，附加的涡流利用旋转驱动的涡流发生器被产生，其中所述旋转驱动的涡流发生器浸没在湍流化的流中并且在约束流的壁的其中产生附加的涡流的区段内分布。这些旋转驱动的涡流发生器例如可以被制造为螺旋桨或叶轮。此类螺旋桨和叶轮的叶片可以被布置并被旋转驱动以使得叶片除了产生涡流以外还直接地增加靠近约束流的壁的湍流化的流的流速和/或直接地减少远离约束流的壁的湍流化的流的流速，像例如在封闭湍流化的流的管的中心中。这样，流速分布可以附加地按照期望那样被变形，以造成湍流化的流的湍流的衰变。

根据本发明附加的涡流应当在其中产生的约束流的壁的区段应当在这样的流的长度内延伸，该流的长度是在约束流的壁处的湍流化的流的边界层的厚度的至少大约5倍、优选至少大约10倍以及更加优选至少大约15倍。湍流化的流的边界层是受约束流的壁影响的湍流化的流的一部分，原因在于沿流的主要方向的流速与远离约束流的壁的流的区域相比被减小相当的程度。

对于约束流的壁包围湍流化的流所流经的管腔、像在管的情况中那样，附加的涡流在其中产生的约束流的壁的区段的长度应当是该管腔的直径的至少大约5倍、优选至少大约10倍以及更加优选至少大约15倍。

所产生的附加的涡流针对湍流化的流的湍流的期望的衰变的影响可以被改善，原因在于约束流的壁局部由滑移材料覆盖，所述滑移材料允许在到壁的边界处的流的速度是在流的主要方向上的流的平均速度的至少大约20％、更优选至少大约40％，甚至没有任何附加的涡流。这种局部的壁覆盖可以在附加的涡流在其中所产生的约束流的壁的区段中和/或下游中设置。滑移材料大体上减小了在约束流的壁中出现的并且连续地馈送湍流化的流的湍流的流中的剪力。

在本发明的一个实施例中，通过在与壁垂直的方向上变形流速分布来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备包括多个涡流发生器，所述多个涡流发生器(i)靠近约束流的壁布置、(ii)在约束流的壁的在湍流化的流的主流方向上延伸的一区段中分布、以及(iii)被构造成在湍流化的流中产生附加的涡流，所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。

特别地，多个涡流发生器可以包括喷嘴，所述喷嘴在约束流的壁的该区段上均匀地分布并且被构造成将流体通过约束流的壁注射到湍流化的流中；和/或多个涡流发生器可以包括旋转驱动的涡流发生器，所述旋转驱动的涡流发生器浸没在所述流中。喷嘴的横截面可以是圆形的或细长形的、即狭缝形的，无论是在流的主要方向上或者与该主要方向垂直的方向上都是这样。

为了改善涡流发生器的效果，约束流的壁在涡流发生器所设置在其中的约束流的壁的区段中和/或下游可以局部地由滑移材料覆盖，所述滑移材料在到壁的边界处的流的速度是在流的主要方向上的流的平均速度的至少大约20％、更优选至少大约40％，甚至没有任何附加的涡流在湍流化的流中产生。

此类滑移材料是大体上已知的。所述滑移材料的非常低的摩擦特性可以是基于在实际的约束流的壁与流之间布置的一层小气泡。关于在湍流化的流中的湍流的衰变的某种改善的效果已经利用流与约束流的壁之间的摩擦的任何本质的减小得以实现。因而，约束流的壁的特别光滑的表面已经是一种优势，并且仅仅允许到壁的边界处的流的较低的流速小于在流的主要方向上的流的平均速度的40％的滑移材料是与约束流的壁的传统非常光滑的表面相比更大的优势。

为了减小附着在约束流的壁上流动的流的流阻而采用滑移材料可以视为是显而易见的。然而，本发明的上述实施例限制了这种滑移材料使用于约束流的壁的受限的区段。在该区段内，如果该区段在湍流化的流的主流方向上的延伸被合适地选择，则发生的湍流化的流的湍流衰变。因而，在约束流的壁的具有滑移材料的区段的下游，流是层流化的并且即使约束流的壁不再由滑移材料覆盖也保持层流化。因而，根据本发明的这些实施例，为了获得流阻的显著下降，需要非常少量的滑移材料。

约束流的壁的区段(其中应当设置滑移材料以造成湍流化的流的衰变)的长度应当是在约束流的壁处湍流化的流的边界层的厚度的至少大约20倍、优选至少大约25倍、以及更加优选至少大约30倍，或者对于约束流的壁包围湍流化的流在其中流的管腔、像在管的情况中那样，该长度应当是管腔的直径的至少大约20倍、优选大约25倍、以及更加优选至少大约30倍。

在本发明的另一实施例中，通过在与壁垂直的方向上使得流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的方法包括这样的步骤，将偏流结构浸没在流中来增加靠近约束流的壁的流速。偏流结构是一种被动器具，其使得流偏向以使得在流的主要方向上的流速靠近约束流的壁增加，附加地，在流的主要方向的流速在湍流化的流的中心减小。

在本发明的另一实施例中，通过在与壁垂直的方向上使得流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备包括浸没在流中的偏流结构。该偏流结构被构造成增加靠近约束流的壁的流速。特别地，偏流结构可以在包围流的具有圆形横截面的管内同轴地布置。例如，偏流结构可以包括同轴的圆环，这些同轴的圆环的距离朝向约束流的壁增加；和/或偏流结构可以包括被形成为实心回转体的至少一个中心封闭的偏流体。由圆环的距离朝向约束流的壁增加，所以圆环的流阻朝向约束流的壁减小。由此，最初的湍流化的流的速度分布按期望那样地变形。被形成为实心回转体的中心封闭的偏流体阻挡管的中心区域，并因而增加了靠近约束流的壁的那些区域中的流的速度。

在本发明的另一实施例中，通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的方法包括通过将分流结构浸没在湍流化的流中而在垂直于壁的方向上平衡流速分布的步骤。对应的设备包括在流中浸没的分流结构，所述分流结构被构造成在垂直于壁的方向上平衡流速分布。本发明的该实施例的基本内容是平衡湍流化的流上的流速分布，以避免连续馈送湍流化的流中的湍流的流的各部分之间的剪力。

此外，每个部分流的直径比整个湍流化的流的直径小得多。由此，每个部分流的雷诺数比整个湍流化的流的雷诺数小得多。例如，甚至对于整个湍流化的流的雷诺数为几千而言，部分流的雷诺数可以低至几百。由于这些低的雷诺数，湍流无法在部分流中生存。当部分流从分流结构摆脱时，流被再次相当无序化并仍不必然是层流化的。然而，流速分布曲线是非常平缓的，并且因此所有干扰在大约10直径的流中衰变，导致了进一步在下游的层流化的流。

附加地，将湍流化的流分成多个部分流使得在不止一个部分流上延伸的所有涡流中断。这已经减小了进入并通过分流结构的湍流的等级。

分流结构至少在湍流化的流的一横截面区域内延伸，其中在该横截面区域中，湍流化的流中的流速是高于湍流化的流在其主流方向上的平均速度。这通常在距约束流的壁一距离处适用于湍流化的流的中心区域。然而，优选的是分流结构在整个湍流化的流中延伸。

此外，已经注意到的是，为了湍流化的流的不同的部分流提供不同的分流结构的设计是无有帮助的效果的。实际上，由于在湍流化的流的主流方向上的合适的尺寸，分流结构就像没有这种措施那样自动地消除部分流之间的所有差异。因而，优选的是，分流结构在湍流化的流的主流方向上具有相同的厚度，并且在整个湍流化的流中具有相同的设计。

特别地，分流结构包括多个密集的具有恒定横截面的通孔，所述通孔在湍流化的流的主流方向上延伸。湍流化的流的各部分流分别通过通孔之一。每个通孔的长度是其直径的至少三倍，从而通孔内的降低的雷诺数对于部分流中的湍流的衰变针对足够的时间是高效的。优选地，每个通孔的长度是其直径的至少五倍、更优选地是至少十倍、并且最优选地是至少15倍。然而，更长的通孔没有积极的效果。因而，每个通孔的长度超过其直径20倍很少用。

每个通孔的直径应当不超过湍流化的流的平均直径的20％，将经过通孔的部分流的雷诺数减小至湍流化的流的雷诺数除以分流结构的孔隙率的大约20％。对于至少50％的孔隙率而言，经过通孔的部分流的雷诺数被减小至湍流化的流的雷诺数的不超过40％。更优选地，每个通孔的直径是湍流化的流的平均直径的最多10％，并且最优选地，每个通孔的直径是湍流化的流的平均直径的最多15％。

各通孔可以具有三角形的或圆角形的直径。优选地，各通孔可以具有圆形或六边形的直径。具有圆形直径的通孔以及特别地具有六边形直径的通孔可以非常紧密地堆叠，因而提供了分流结构的高孔隙率。具有圆形直径的通孔以及具有六边形直径的通孔都能够以六边形布置结构的方式被密集地堆叠。在具有六边形直径的通孔的情况中，这导致了蜂窝结构作为分流结构。具有圆形直径的通孔还可以围绕一共同的中心以圆的方式被密集地堆叠。

此外，分流结构的孔隙率应当是尽可能地高。高孔隙率、即低横截面面积减少了针对由分流结构引出的流的阻力以及在分流结构的下游端部处的新湍流可能产生的自由横截面中的台阶。优选地，分流结构的孔隙率至少是50％。

实际上，分流结构可以由薄壁管道的捆束制成，其中每个管道包围一个通孔。这种分流结构非常类似于麦秆的捆束。替代性地，分流结构可以包括包围各通孔的一体成形的本体。具有圆形横截面的通孔实际上可以被设置为穿过该成形的本体延伸的钻孔。

本发明的所有实施例的功能已经由数字化计算得以证明。这些数字化计算的可靠性已经在实验测试中得以证明。

现在更详细地参看附图，图1示出了在湍流化的流中产生附加的涡流的数字化模拟的结果。特别地，附加的涡流已经通过在流的朝向封闭其的圆形壁的边界处的力被数字化地模拟。所述力模仿在十二个注射点处垂直注射流体的以及在十二个中间提取点处提取流体的效果，注射点和提取点在流的周边上均匀地分布。在图1中，流的动能依时间被绘制。时间以正则化的单位D/U表示，其中，D是圆形壁的直径，U是附着在壁上的在流的主要方向上的流的平均速度。在t＝10的时间点，上述的力开启。在该时间点，流中的湍流的能量通过该力被显著地增加。在t＝25的时间点，该力终止。此后，流中的湍流显著地减小，表明了流的湍流的衰变。这种衰变可以被归因于这样的事实，即由于在流的横截面内变形的流速分布，流的湍流不再由朝向壁的边界区域中的剪力馈送并因此由于流的流体的粘度而衰变。这样，湍流化的流通过在流中产生附加的涡流或湍流而被高效地层流化。

图2示出了偏流结构1浸没在流经由圆形壁4包围的管腔3的流2中的布置结构。偏流结构1包括位于管腔3的中心的中心封闭的本体5、围绕着本体5共轴线地布置的两个圆环6和7、以及将结构1支承于壁4的翅片8。圆环6与中心本体5之间的、圆环6与7之间的、以及圆环7与壁4之间的距离9至11朝向壁4增加。由此，偏流结构1在管腔3的中心中沿着壁4降低流速，并且在该结构朝向壁4的边缘处增加经过管腔3的流的速度。这对应于湍流化的流的流速分布的合适的变形，以便引起流的湍流的衰变。

图3示出了约束湍流化的流的滑移材料的模拟的结果。该模拟的详情是湍流化的流的20000的雷诺数以及正则化的滑移速度Vsip(U)＝UD/nu，其中，U是在流的主要方向上的平均速度，D是约束流的壁的直径，并且nu是流的流体的运动粘度，为0.74。在“开启”，湍流连续地降低(注意，湍流以对数的比例尺被绘制；最初的湍流降低超过三个等级的幅度)。只要湍流降低到一阈值以下，则湍流化的流的湍流完全地衰变并且流被层流化。

图4是由滑移材料实现的约束流的壁处的所需的正则化的流的速度Vsip作为流的雷诺数的函数的曲线图。随着流的雷诺数增加，在壁处的流的正则化的速度必须更高以引起流的湍流的衰变，从而使得流被层流化。

图5和6示出了在管13内布置的分流结构12。分流结构12包括多个管道14或管道的捆束。各管道14被密集地堆叠以填充管13的整个管腔或自由横截面。每个管道14提供了经过分流结构12的通孔15。如果通孔15的直径是足够小且通孔15足够长的话，则经过管13的湍流化的流重新层流化。如果管直径为D且通孔直径为d，那么比率D/d应当至少为10。在这种情况中，在针对经过管13的湍流化的流的雷诺数小于3000的实验中实现了重新层流化。对于比率D/d＝30，最多Re＝6000且稍高已经实现了重新层流化。通孔15的长度l的影响也已经针对比率D/d＝30被测试。对于l＝5d的长度，湍流化的流最多到Re＝3800被层流化；对于l＝10d，最多到Re＝4800；并且对于l＝17.5d，最多到Re＝6000。长度l的进一步增加不会延长重新层流化可以实现的Re-范围。所认定的是，比率D/d必须被增加以在6000以上的甚至更高的雷诺数实现重新层流化。在D/d＝30的所报道的情况中，分流结构12的孔隙率为61％，也就是说，管13的管腔或自由横截面的39％由管道14的管道壁覆盖。

分流结构12的所有管道具有相等的长度和直径，并且它们在管13的整个横截面内密集地堆叠。邻近管13的壁的管道14可以比在管13的中心处的管14更短。然而，这并不会改善分流结构12针对重新层流化湍流化的流的表现。

在分流结构12的下游，流仍不必是层流化的。实际上，流可以是相当无序的。然而，大体上在自分流结构12下游10D内，流将因为其流速分布曲线是非常平缓的而层流化，并且因此出自分流结构12的通孔15的部分流中的所有干扰都衰变。

在不明显脱离本发明的精神和原理的前提下，可以对本发明的优选实施例进行多种改型和调整。所有这些改型和调整应被视为涵盖在由权利要求书所限定的本发明的范围内。

附图标记列表

1偏流结构

2流

3管腔

4壁

5本体

6圆环

7圆环

8翅片

9距离

10距离

11距离

12分流结构

13管

14管道

15通孔

Claims (23)

1.一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，其中所述壁面湍流化的流包括与所述壁垂直的方向上的流速分布，所述方法包括以下步骤：

通过靠近约束流的壁在所述湍流化的流中局部地产生附加的涡流来使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形，

其中，所述附加的涡流在约束流的壁的在湍流化的流的主流方向上延伸的区段中分布，并且

其中，所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将流体经过约束流的壁注射到湍流化的流中来产生所述附加的涡流，其中可选地，所述流体取自所述流。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述流体被注射的速度为所述湍流化的流的在其主流方向上的平均速度的至少大约15％、优选至少大约20％、并且更加优选至少大约25％。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述流体通过在约束流的壁的所述区段上均匀分布的喷嘴被注射。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，利用在湍流化的流中浸没的且在约束流的壁的所述区段上均匀分布的旋转驱动的涡流发生器产生所述附加的涡流。

6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，约束流的壁的所述区段以下述方式延伸

在所述流的一长度内延伸，所述长度是所述湍流化的流在约束流的壁处的边界层的厚度的至少大约5倍、优选至少大约10倍、以及更加优选至少大约15倍；或者

在约束流的壁包围湍流化的流所流经的管腔的情况下在所述流的一长度内延伸，所述长度是所述管腔的直径的至少大约5倍、优选至少大约10倍、以及更加优选至少大约15倍。

7.根据权利要求1至6任一所述的方法，还包括以下步骤：

用滑移材料在约束流的壁的所述区段中和/或下游局部地覆盖约束流的壁，所述滑移材料允许所述流在壁的边界处的速度为所述湍流化的流的主要方向上的湍流化的流的平均速度的至少20％、优选至少40％。

8.一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备，所述设备包括：

多个涡流发生器，所述多个涡流发生器

靠近约束流的壁布置，

在约束流的壁的在湍流化的流的主流方向上延伸的一区段上分布，以及

被构造成在湍流化的流中产生附加的涡流，所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述多个涡流发生器包括

喷嘴，所述喷嘴在约束流的壁的所述区段上均匀地分布且被构造成通过约束流的壁将流体注射到湍流化的流中；和/或

在湍流化的流中浸没的旋转驱动的涡流发生器。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，约束流的壁在约束流的壁的所述区段内和/或下游由滑移材料局部覆盖，所述滑移材料允许所述流在壁的边界处的速度为湍流化的流的主要方向上的湍流化的流的平均速度的至少20％、优选至少40％。

11.一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，其中所述壁面湍流化的流包括与所述壁垂直的方向上的流速分布，所述方法包括以下步骤：

通过将偏流结构局部浸没在湍流化的流中来增加靠近约束流的壁的流速，从而使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形。

12.一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备，所述设备包括：

在湍流化的流中浸没的偏流结构，所述偏流结构被构造成增加靠近约束流的壁的流速。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述偏流结构在具有圆形横截面的管内同轴地布置，所述偏流结构包括同轴的圆环，所述同轴的圆环的径向距离朝向约束流的壁增加，和/或所述偏流结构包括被形成为实心回转体的至少一个中心封闭的偏流本体。

14.一种消除壁面湍流化的流中的湍流的方法，其中所述壁面湍流化的流包括与所述壁垂直的方向上的流速分布，所述方法包括以下步骤：

通过将分流结构局部地浸没在湍流化的流中来平衡与所述壁垂直的方向上的流速分布，从而使得与所述壁垂直的方向上的流速分布变形，

所述分流结构至少在湍流化的流的这样一横截面区域内延伸，在该横截面区域内，湍流化的流中的流速高于湍流化的流在其主流方向上的平均速度，

所述分流结构包括多个密集堆叠的具有恒定横截面的通孔，

所述通孔在湍流化的流的主流方向上延伸，并且

每个通孔的长度是其直径的至少三倍。

15.一种通过使得垂直于壁的方向上的流速分布变形来消除壁面湍流化的流中的湍流的设备，所述设备包括：

在所述流内浸没的分流结构，

所述分流结构被构造成平衡垂直于壁的方向上的流速分布，

所述分流结构至少在湍流化的流的这样一横截面区域内延伸，在该横截面区域内，湍流化的流中的流速高于湍流化的流在其主流方向上的平均速度，

所述分流结构包括多个密集堆叠的具有恒定横截面的通孔，

所述通孔在湍流化的流的主流方向上延伸，并且

每个通孔的长度是其直径的至少三倍。

16.根据权利要求14所述的方法或者根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述分流结构在整个湍流化的流中延伸。

17.根据权利要求14或16所述的方法或者根据权利要求15或16所述的设备，其特征在于，所有通孔的长度是相同的和/或所有通孔的直径是相同的。

18.根据权利要求14、16或17所述的方法或者根据权利要求15至17任一所述的设备，其特征在于，每个通孔的长度是其直径的至少五倍、优选至少十倍、并且更加优选至少15倍。

19.根据权利要求14或16至18任一所述的方法或者根据权利要求15至18任一所述的设备，其特征在于，每个通孔的长度不超过其直径的二十倍。

20.根据权利要求14或16至19任一所述的方法或者根据权利要求15至19任一所述的设备，其特征在于，每个通孔的直径是湍流化的流的平均直径的最多20％、优选最多10％、并且更加优选最多5％。

21.根据权利要求14或16至20任一所述的方法或者根据权利要求15至20任一所述的设备，其特征在于，所述通孔具有圆形的或六边形的直径。

22.根据权利要求14或16至21任一所述的方法或者根据权利要求15至21任一所述的设备，其特征在于，所述分流结构的孔隙率至少是50％。

23.根据权利要求14或16至22任一所述的方法或者根据权利要求15至22任一所述的设备，其特征在于，所述分流结构包括薄壁管道的捆束，每个管道包围所述通孔之一，或者所述分流结构包括包围所述通孔的一体形成的本体。