CN1083948C - 控制边界层和其他壁面边界处流体流场中湍流的方法 - Google Patents

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Abstract

具有一个湍流壁区域的边界层或壁面边界流体流场中的湍流被加以控制，所说湍流壁区域的特征在于旋流圈偶系沿流向延展，并且斜向传播结构与旋流圈偶系相互作用，所说控制的方法是通过将两个分别产生的扰动从局部导入该湍流壁区域，所说的两个扰动能够在局部产生可与斜向传播结构强烈耦合并使之改变的合成扰动，增强或减弱传播结构与旋流圈偶系之间的相互作用，从而局部增强或减弱流场中的湍流。

Description

控制边界层和其他壁面边界处流体流场中湍流的方法
本发明涉及控制边界层和其他壁面边界处流体流场中湍流的方法及其所用装置。
相关出版物：
(1)″Plane Waves and Structures in TurbulentChannel Flow″，作者：L.Sirovich，k.S.Ball和L.R.Keefe，Phys.Fluids A2(12)，1990年12月，2217-2226页。
(2)″Propagating  Structures in Wall-BoundedTurbulent Flow″，作者：L.Sirovich，K.S.Ball和R.A.Handler，Theoret.Comput. Fluid Dynamics(1991)，2：307-317。
按照经典流体力学的观点，湍流被认为是在所有可能的自由度上激发的无序状态。从对宏观现象，诸如大气中的气象流谱，管边中的水流的直接观察到日常生活经验，如将奶油搅拌到咖啡中或混合油漆都支持这种观点。
湍流既有害又有益，它对汽车或飞机产生不希望有的阻力；但它也能促进发动机中燃料与空气的混合，或加速房间中热的分布。 湍流对人类活动具有巨大的影响，但是直到近几年认为湍流是一种无序状态的观点阻碍了对这种现象的科学分析。随着超级计算机的问世，已能够对壁面边界湍流进行工作量浩大的计算、和进行先进的实验研究，现在对湍流的认识已产生了惊人的变化。过去曾经被认为是一种无序状态的湍流，现在被认为是表面无序中间的具有相干波谱的运动。
对于壁面或边界层处流动的湍流，例如机翼上的气流，或管道中液流的深入研究表明在壁面附近存在具有一对相对旋转的顺流旋流圈形式的相干结构，但它们位于外沿和次层以外。这些旋圈有时被称作旋涡条纹，在其动态运动中显示出大量的纹波和变化。特别重要的是它们的突然扭曲或绞结，导致低速运动的流体从壁面处突然喷入快速运动的流体主流中。这种喷发在壁面上产生一种净阻力。已经估算出，这些能在壁面上产生80％阻力的喷发，只出现在大约20％的时间。对于这种湍流流谱的研究还表明，对所有壁面边界湍流都典型存在的是这些旋流圈经过立体相干波形短暂变化的影响而产生扭曲。
为了精确测定旋涡条纹的宽度，首先必须理解条纹是与壁面邻近的次层外流体的局部状态的体现，而不是壁面的性质，也不是远离壁面的流场的性质。局部状态完全可以用在壁面上的平均摩擦应力S，流体密度上γ，和流体的粘滞度m来表示。这些量定义了一个局部空间尺度，或长度等级L*，其通常被称作一个壁单位等于m/(sr)1/2。占优势的旋流圈直径通常为50到100壁单位，或每对100 L*到200L*。
术语″占优势的″，就旋涡直径而言，意味着湍流能量的绝大部分(或是波动速度的绝大部分)存在于这一尺度内的运动模式中。此外，同一类旋流圈的其他模式具有一定的尺度范围并且也包含大量的湍流能量。简言之，由于这些旋流圈波模有序度的散乱而在壁面上造成阻力的主要作用是导致这些旋涡的扭曲，最终导致使慢速运动流体混合进较快速运动流体中的相对剧烈的喷发现象。
随着发现在湍流壁面区域还存在传播结构，对于在壁面边界湍流中发生的现象有了深刻的理解。在上面引用的参考文献(1)中，指出传播结构是以恒定波群速传播的相干波谱。根据上述的参考文献(2)，进一步肯定了传播波模的存在。此外，经检索得到的一篇20年前写的论文涉及壁面湍流的实验，这篇文献虽然没有直接说明，但暗示了在湍流中这种传播波模的存在和所起的作用。
如上述两份文献所论证的，传播波模是喷发现象的激励源，正是喷发现象导致了存在于壁面湍流的阻力产生现象。尽管传播模式本身只携带很少的能量，但是除非存在传播波模否则不会产生喷发。此外，对喷发现象的实验上和数字测量的时间过程对应于对传播波模的测量过程。能量最高的，因而也是最重要的传播模式是那些与流动方向成65°角的传播波模；在50-80°范围的那些传播模式含有传播模式的大部分能量。
激励模式的波长也是一个重要的因素。这些波长的波在喷发现象中起着比旋涡尺度更重的作用。
最重要的激励波模与能量承载旋涡波模的波长相比具有一横向延展分量。这显然表明通过激励作用使旋涡波模易于喷发的共振机制的存在。为了易于说明，主要的激励波模有时称之为长波波模。并不存在显著长的长波波模，但存在许多短波波模。
所以本发明的目的是提供一种通过改变激励波模从而改变和控制湍流的方法和装置。
根据本发明，提出了一种控制边界层或其他壁面边界流体流场中湍流的方法，流场具有一个湍流壁区域，其特征在于呈现条纹的一旋圈偶系统，其直径与流强具有一定的函数关系，并沿流动方向延展，和在于具有相干波谱的传播结构沿与流动方向倾斜的方向以基本恒定的波群速度传播。本方法是将一个扰动场局部引入湍流壁面区域，所说扰动场的振幅，波长和传播方向使得该扰动与传播结构强烈耦合并改变此传播结构，其方式是增加或减少传播结构与旋圈偶系之间的相互作用从而在流场的局部增加或减小湍流或湍流阻力。
在减小湍流阻力的情况，本方法包括这样的步骤，提供一个或选择两个装置，它们同时工作产生扰动，生成一对用以加强旋流圈偶的斜向波，从而使旋流圈偶有序化。根据本发明，装置之一可以是放置在壁面展向(即垂直于流体流动方向)的排布成一条直线的小三角形突起，它在流体流动场中产生一个扰动与由第二装置产生的另一扰动相互作用，所说第二装置可以是一个或多个发声器，其将能量注入由突起产生的扰动中。也可以使用排布成直线的小三角形突起阵列设置在壁面展向上以代替单排突起。由突起和发声器产生的扰动彼此相互作用并产生斜向传播结构，以加强旋流圈偶、减小湍流。
进一步，还可以用沿展向嵌入壁面中的一排或排成阵列的小三角形加热器件产生的扰动与加热器件依时间进行的操作相互作用在流体流场中以加热流的斜向波形式产生组合扰动，该扰动加强了旋流圈偶，并减弱了湍流。
此外，本发明包括用于控制上述边界层或其他壁面边界流体流场中湍流的装置，这些装置中包括用于将一扰动场局部引入湍流壁面区域的装置，所说扰动场的振幅，波长和传播方向使其与传播结构强烈耦合并改变传播结构，其方式是增强或减弱传播结构与旋流圈偶系之间的相互作用，从而局部增加或减小流场中的湍流或湍流阻力。用于减小湍流阻力的装置可以包括上述的那些。
本发明的实施例将参考附图通过举例来加以说明。
图1表示壁面边界处流体流动的剖面，其中剖面取自与流动方向垂直的方向；
图2为图1中所示流体流场的平面示意图；表示与壁面边界临近处的具有人字形波动的条纹或旋流；
图3是显示出波动的壁面的剖视图；
图4为改变后的波动形状；
图5为沿与流体流场方向相垂直的方向的壁面边界流体流场剖视图，图中表示了一组换能器，诸如加热器，超声波发生器等，其均嵌在壁表面上；
图6为一标准时间示意图，表示了各种换能器依时序被触发的方式；
图7为图5所示流体流场的平面图；表示由于换能器按照图6所示的时序启动而引入流体流场中扰动的标准分布；
图8为一风洞的测试部分的平面视图，其中在测试部分的一侧安装了发声器；
图9为该测试部分的侧视图，其中表示了将声波扰动导入测试部分的湍流中的狭缝；
图10a为与图8相类似的测试部分的平面图，但其中在壁面上沿展向(即垂直于流动方向)设置了排布成直线形的小三角形突起；
图10b为图10a中测试部分的侧视图，表示了将声扰动导入测试部分中湍流的狭缝；
图11a是与图10a所示相类似的测试部分的平面图，但其中表示出安装在测试部分相对两侧的发声器；
图11b是图11a中的测试部分的侧视图；表示了将声扰动导入测试部分的湍流中的狭缝；
图12a是与图10a中所示相类似的测试部分的平面图，但其中在壁面的展向上(即垂直于流动方向)设置了若干排小三角形突起构成的阵列；
图12b是图12a中测试部分的侧视图，表示将声扰动导入测试部分中湍流的狭缝；
图13a为与图12a所示相似的测试部分的平面图，但其中示出在测试部分的相对两侧安装的发声器；
图13b为图13a中的测试部分的侧视图；表示了将声扰动导入测试部分湍流中的狭缝；
图14表示了与图10a、10b、11a、11b、12a、12b、13a和13b相关的所使用的一排三角形突起状的详细尺寸；
图15a1-15a4为根据实验由计算机作出的图；表示了利用如图10a和11a所示的测试部分测得的在壁面附近顺流速度展向的变化；
图15b为自然流的垂直速度的均方根值相对于展向位置的标绘图，其中的自然流受到了小三角形突起和在图10a所示的测试部分中向自然流注入86Hz的声波的扰动；
图15c为自然流的顺流速度的均方根值相对于展向位置的标绘图，其中的自然流受到了小三角形突起和在图10a所示测试部分中向自然流注入52Hz的声波的扰动；
图16a所示为对图10a所示类型的直线排的小三角形突起的改进，表示了相对托举型机翼形的突起，各突起产生了一相对旋转的旋流圈系；
图16b所示为对图12a所示类型的小三角形突起直线排展向阵列的改进，表示一种相对托举机翼形突起阵列，每个突起都产生相对旋转的旋流圈系；
图17a为包含了在壁面上沿展向(即垂直于流向)设置的排布成一条直线的三角形突起的风洞的测试部分的平面图；
图17b为包含了在壁面上沿展向(即与流向垂直的方向)设置的多排排成直线的三角形突起或其阵列的风洞测试部分的平面图；
图18为根据本发明所使用的″自然″声发生器实例的示意图；
图19a为风洞测试部分的平面图，在风洞壁面上沿展向(即垂直于流向)嵌置了一排小三角形加热器件；
图19b为风洞测试部分的平面图；在风洞的壁面上沿展向(即与流向垂直)嵌置了多排或一个阵列的小三角形加热器件；
最近的一些尚未公开的研究致力于通过对激励波模的改变而改变和控制湍流。在一组计算机激励作用下，研究了在具有固定壁的管道边中向下驱动的湍流。在激励过程中，扰动被有选择地施加到所选择的激励波模。使运动相位无规则化，被选作扰动方式。实际上，这抑制了长波运动。使相位无规则化方法没有什么特别之处；其他的扰动方式同样可以使用。已经发现通过只使长波传播波模的相位不规则化，可使流率增加超过30％。与此效果相关的结果是可以减小阻力达40％以上。而对除长波波模以外的其他波模的无规则化只产生很少或没有影响。另一方面，长波传播波模振幅的加强明显地增强了湍流的混合。这更加证明了波与旋流波模的相互作用对于喷发机制是根本的。
现在参照附图进行说明。标号10表示壁面边界湍流流场，其中包括限制流体13的壁12，流体13中包含相对旋转的旋流圈14、16流体形式的局部结构。这些旋流圈，或有时称之为条纹的轴沿流体流动的方向，即图1中进入纸面的方向，如图2中箭头17所示。这些旋流圈性质的详细描述参见文献(1)，图10、第2223页。简言之，这些相对旋转的旋流圈的直径是流场强度的函数，其长度大大超过其直径(超过100L*)。如上所述，有效地旋流圈尺度大约为每对100L*或200L*。
在完全生成的湍流中，这些局部旋流圈结构穿过近壁区域向下游流动，变得破碎、扭曲、最终喷发。流动中存在的传播波模的相干结构与旋流中的相干结构之间的相互作用导致旋流圈的喷发，进而使接近边界层处的慢速运动流体与主流中快速运动的流体的混合，反之也一样。
本发明提供用于控制引起壁面边界湍流中旋流圈喷发的波传播波模的激励的无源和有源两种机制。根据本发明，用于控制波传播波模的无源机制是通过对存在湍流的壁面形状加以改变，如挖槽，使之成起伏状等实现的。例如，形状的改变可以通过在壁面上挖槽、或者在壁面上附一层具有所需形状的贴层而实现。当形状的改变是以使表面起伏形式实现时，其幅度应在15-20壁单位范围内，以包含湍流产生的峰值位置。典型的起伏波纹波长或间隔依赖于湍流控制的目的。这些起伏的取向，即起伏的峰之间的低谷的方向，应当与流动方向倾斜偏离15-30°。这就是说，这些起伏的″传播″方向应与流动方向成大约60-75°。
图2为旋流圈14、16的平面视图，重叠在这些旋流圈之上的是如箭头18所指以与流动方向17成±θ角传播(传播波模)的波。如上所指出的，对于带有主要能量的波而言θ角在50-80°的范围。如果考虑到传播波模可能的双向角度，起伏最好为如图2所示的人字型图案20，或者是完全交错或″滚花″形状的。
为了增强混合，及例如增进热传送(即增强湍流)，从而激发喷发的产生，起伏表面应为如图3所示严格的正弦形。波长P最好是在100-300壁单位范围里，以实现与激励波模的共振，振幅Q最好在15-20壁单位范围里。
为了减少阻力，这种起伏应当具有以与上述的相位不规则化类似形式在波中产生相位干涉的形状。实现这一目的的一个方法是生成由共振波长调制的无序形状，并且含有在波长范围的不相称正弦形状的一个适当的和。图4中所示为一个典型的剖面图。
除了使用无源机制与波传播波模相互作用以控制湍流，本发明还尝试了使用有源装置来实现此目的。如图5中所示的实施例30，就是有源装置的一个实例。如图所示，嵌装在壁面上的换能器如加热元件31、32等，是通过以加热器控制形式进行的换能器控制33触发的。加热器控制33的操作是依时序给加热器提供脉冲以对流体进行局部加热，其脉动波形与由边层流的壁面上的起伏所产生的波形是一样的。于是，局部的加热将产生或者抑制或者增强喷发活动的强度变化的波形。
控制模式33可按照图6所示时序启动加热器产生如图7所示的扰动空间分布。在波形中引起相位干涉的波形或图案可由热谱以与上述的起伏表面相似的形式生成。
上述两种机制都对激励机制产生控制作用，并且适合于稳态流动条件。在两种情况下，不论是通过改变表面形状还是通过加热元件的适当放置和使之脉冲式运作，所产生波纹的位置都是固定的。固定波形是由流动状态，具体地说是由流动参数(例如雷诺数)所规定的。
其他的应用涉及对非稳态流动状态下的湍流的控制。安装在壁面上的加热元件可以安装在垂直于流动方向的带状区域中。可以依时序顺序启动这些元件以产生任意角度的斜向波。通过适当地启动，或使一排加热元件脉动式工作，可以生成加强或减弱喷发现象的任何波动图形。这样就使得这些研究的应用可以适用于变化流率的情况，(即，变化的雷诺数)。
导入流体流动场中扰动的相位不规则化及相位的加强还可以利用安装在壁面上的发声器，或是安装在外部如图5中换能器所示位置上的发生器所产生的声波来实现。导致流体流动混合增加的激励波模的相位增强可以由固定波形实现。通过适当地驱动声发生器阵列可以产生与起伏表面相关联的上述波形的非同步声波。而对声驱动器的适当编程可以处理变化流率的情况。
通过由安装在壁面上的振动，传感器使壁面产生相应波形的振动，并将此振动传输到流体中也可以实现使相位不规则化、或激励波模增强的效果。声音或声波发生器，或振动传感器可以在导管的侧壁上安装成阵列状，或是安装在管的周边上，或是其他壁面边界流场的壁面上。
本发明也可以在其中流体是导电的，如海水的壁面边界流体流动系统中实施。在这种情况下，可以通过与壁面相联或相邻的变化磁场，或电磁场产生扰动，以便用前述的方式在传播结构或波模中导入所需的扰动或产生变化。
本发明尤其可用于通气导管，弯曲通气导管，管道，弯曲管道，压缩机，泵和涡轮机以减小湍流。本发明还可用于内燃机的燃烧室，及此类装置，以使燃烧室中空气与燃料的混合加强，从而促进燃烧。
如果湍流流体是导电性的，或弱导电性的，如海水的情况，可使用起电装置来产生前面所讨论的波谱。可以使用安装在壁面上如图5中换能器所处位置的电极产生电流，用来进行局部加热，或与磁场耦合产生局部的电磁力。这些方式亦可用来控制上述的相应波谱。最后，可以使用安装在壁面上的应变计，压力传感器，热偶，或任何其他微型测量装置来探测激发传播波模的开始形成。这些信号可用于热、声或电系统的反馈控制环路，以选择生地增强或破坏所涉及的激发传播波模。
虽然本发明是针对壁面边界流体流场中的湍流加以说明的，但本发明上述的方法和装置也可以用于边界层湍流如在流体中运动物体附近所产生的湍流。因此，本发明可应用于在空气中运动的物体(例如在陆地上行驶的车辆，和飞机)，及在水中运动的物体(如船)等。
此外，本发明的上述方法和装置还可以在导电流体，如海水中的边界层流场中使用。在这种情况下，可以通过与一物体如在海水中运动的船只关联的，或在其附近产生的变化磁场或变化电磁场来产生扰动，从而以前述的方式将所需要的扰动导入传播结构或波模，或使其发生变化。
在一项实际进行的物理实验中发现，当使用一个相对较弱的发声器在风洞的测试部分内产生一个声扰动时，湍流阻力有了实质性的减小(9％)。图8表示了在实验中使用的声共振器与测试部分之间的关系。如图所标示的，风洞的测试部分大约57cm高、81cm宽、长380cm。发声器以大约65°角安装在测试部分的侧面上。发声器采用共振箱的形式，其锥形部分约22cm长，在安装扬声器的一湍测量约为61×22cm，与扬声器相对湍为8×61cm。与锥形部分相接的一段线形部分，一侧长约42cm，另一侧长约72cm。线性部分的自由湍被封住以形成一个1cm×61cm长的狭缝。狭缝位于与测试部分的壁准直的位置上。
测量是采用一根直的热电阻线在测试部分壁附近相隔30cm的两点间进行的。其中一个点位于共振箱的轴上，并深入测试部分约190cm。
在轴点处，对于以自由流动速度流动具有7.7×105雷诺数的流场，湍流边界层厚度为48mm，用一放大器驱动的扬声器2降低大约9％的阻力，此扬声器可产生驱动频率为170Hz的声信号。根据″DragReduction in Turbulent Channel Flow by PhaseRandomization″A.R.Handler，E.Levich.和L.SirovichPhys.Fuids，(此文在本申请中用作参考)，在426Hz频率时，相位在0-360°范围内被无规则化。也就是说，根据本发明的这些实施例所使用的导入测试部分的声波扰动的频率或波长在100-300L*的范围内(其中L*为一个壁单位)。
此外，还可以使用各种机械装置将所需扰动导入流体中。例如，在流体流场中展开的细线网在流体与阻挡流体的线的弹性相互作用下可被激发产生所需扰动。
现在参照图10a和10b描述本发明的一个实施例，其中由两个装置同时工作产生两个分开的扰动，这两个扰动在局部区域有效地形成了与斜向传播结构强烈耦合或使之改变的合成扰动场，以增强或减弱传播结构与旋流圈偶系之间的相互作用，从而在流场中局部增大或减小湍流阻力。在此实施例中，装置50包括小三角形突起53的条带52构成的第一装置51，和由发声器55构成的第二装置54，发声器为一共振箱，在共振箱的自由湍58装设有扬声器56。  这种技术方案的结果能够得到产生一对斜向波的一个扰动，用以增强旋流圈，从而使旋流圈有序化，结果降低了湍流阻力。
在上述使用小三角形突起的实施例中，每个小三角形突起具有垂直于中心流动方向的微小底湍，在本例中为4mm，和沿流动方向的微小长度约5mm，展向间距约为5mm，即约为120壁单位。也可以分别按100、200和400壁单位的长度进行测试。当使用小三角形突起排的阵列时，相邻排之间沿流向的间隔约为2cm，对于这些实施例这大约是600壁单位。对于其他流动状态，这些尺寸也相应地变化。
现在参照附图11a和11b描述本发明的另一个实施例。在这个实施例中两个装置同时工作用于产生降低流场中湍流阻力的扰动。在此实施例中装置50包括小三角形突起53的条带52构成的第一装置51，和由发声器55a4及55b构成的第二装置54。这些发声器产生的扰动与由突起引起的扰动相互作用，产生一对增强旋流圈的斜向波，从而使旋流圈有序化而减小了湍流阻力。这里为了简便只详细描述发声器55a，但实际上发声器55b也是一样的。发声器55a由一共振箱构成，在其一湍58装有一扬声器56。这两个装置都用于产生扰动，以形成一对增强旋流圈的斜向波，从而使旋流圈有序化而减小了湍流阻力。
参照附图12a和12b可说明本发明的又一个实施例，其中又提供了用以产生减小流场中湍流阻力的扰动的两个同时工作的装置。在此实施例中，装置50包括由成排小三角形突起53条带52的阵列构成的第一装置51，各条带垂直于流动方向，其阵列位于构成第二装置54的发声器55的传声路径上。
在此例中，发声器55包括一个共振箱，在其自由湍58装有一扬声器56，它可产生用以增强旋流圈的扰动，该扰动产生一对斜向波，以使旋流圈有序化从而减小湍流阻力。
本发明的再一个实施例参照图13a和13b加以说明，其中也包括用于减小流场中湍流阻力的扰动的两个装置。在此实施例中装置50包括由成排小三角形突起53的条带52构成的第一装置51。此实施例中的第二装置54包括发声器55a和55b，它们可产生增强旋流圈的扰动，该扰动产生一对斜向波，以使旋流圈有序化从而减小湍流阻力。这里为了简便只详细说明了发声器55a，但实际上发声器55b也是一样的。发声器55a包括一个共振箱，在共振箱的一湍58装设有一扬声器56。这些装置均用于产生一个扰动，该扰动产生一对斜向波，经与小三角带阵列相互作用增强了旋流圈，使旋流圈有序化从而减小了湍流阻力。
在参照图10a，图10b，图11a和11b，图12a和12b，及图13a和13b所描述的实施例中，三角形突起条带嵌置在风洞壁上，当风洞运行时在所说壁处形成湍流边界层。现在，最佳尺度如图14所示，每一三角带的高度最好在12到15个壁单位范围内，在这些实施例的条件下约为0.5mm。
在这些实施例中，从风洞一侧或两侧壁上发射出的声波与高出壁面的小三角形突起相互作用，产生与流动波前方向倾斜的波谱，所说波前方向平行于小三角形突起的顶部。于是在两个倾斜角度上的波与旋流圈波模之间发生非线性相互作用。相互作用的结果就是增强了如图15a、15b和15c中所示类型的旋流圈结构。
现在已经发现最有效的增强旋流圈结构为在这些实验条件下发声器的驱动频率在60到90Hz范围时所产生的那些。如图12a、12b、13a和13b所示采用小三角形突起条带阵列能使所产生的旋流圈结构得到增强并维持较长时间，而如图10a、10b、11a和11b所示使用一条小三角形突起带只能维持短得多的时间。在采用条带阵列的情况下，小三角形突起带按锁相方式设置、例如图12a和13a所示，在阵列的各条带之间保持大约为500壁单位的距离。
在这些技术方案中，所产生的声波波模与小三角形突起带的结合作用所生成的波模产生扰动，扰动的波长由第一装置的特征尺寸和由第二装置产生的声波的频率所决定。将扰动施加到湍流边界层的结果是较好地产生并出现了增强旋流圈波谱。
支持这一结论的实验证据如图15a1-15a4所示，其中各个显示的水平轴为图10a-11b中测试部分的展向，即垂直于流向的方向，竖直轴是到测试部分底部的距离。因此，这些图表示与测试部分的壁相邻的流体穿过与流向垂直的一个截面时速度的变化。显示的灰度正比于速度，其中黑色表示零速度。
如图15a1-15a4中的显示所示，采用由声波与小三角形突起带结合作用产生的扰动，与不采用声扰动力的情况相比会导致旋流圈结构的增加。
这两种扰动的相关参数应如此选择，以使速度场的总扰动产生一对与自然旋流圈结构发生共振相互作用的斜向波，从而破坏自然流动中旋流圈与传播结构之间的内部固有的相互作用。这种共振相互作用通常会增加旋流圈结构的稳定性，并且可以经过设计使得旋流圈经向尺度增大，从而降低湍流阻力。这是由于加强的旋流圈结构沿着产生湍流边界层的物体物理边界形成旋流圈结构层。这一层显示出湍流由于运动能量降低而向小尺度演化的过程，进而使得这一边界层中其余部分具有较高的速度。其他装置也可以用于产生对流动速度场的一组扰动，即产生一对共振斜向波形式的总扰动。
在前述的实施例中，当使用一条小三角带与发声器结合时，该条带可以放置在发声器的上游、下游或相对位置。
在另一个实施例中，可如图17所示不使用发声器而只使用一排小三角突起带，或若干排小三角条带的阵列。这比使用声能的效率要低，但在某些情况下，这可能是唯一可用的方式。
在又一个实施例中，相对托举的机翼形突起带被用来代替三角形突起带，如图16a所示。每一对这样的机翼形突起产生一对相对旋转的旋流圈，这是源于托举翼的翼梢旋涡形成的。翼形突起对较佳地应以100-200壁单位为间隔放置从而在流体中产生旋流圈对。以图11转换到图12相同的方式，可如图16b所示装设一翼形突起对的阵列。每行翼形对应以约500壁单位分隔放置。图16a和16b中所示的应用仅仅是不使用发声器时的无源流场诱导物。
如图所示，每一排中的相邻翼形突起之间的最佳间距约为100-200壁单位，在突起阵列的相继排之间的间隔约为500壁单位。
虽然图16a和16b所示及说明的为机翼形突起，但其他形状的成对突起也可以被用来产生相对旋转的旋流圈对。此外，小三角形突起的标称角度为45°。
在又一个实施例中，可以使用如图19a和19b所示的一排嵌置的小三角形加热元件，或几排嵌置的小三角形加热元件阵列。依时序变化的方式操作这些加热元件可以产生加强旋流圈结构的类似扰动。
目前所考虑的是用于产生扰动的装置将根据所需情况和流动一起以减小湍流阻力或增加湍流热传送，例如沿管道壁的长度方向等设置这些装置。
尽管上述实施例是以扬声器作为声能源，但应该理解还可以使用自然的声能源。例如，利用风声或空腔共振器产生声能。风声可以由流体流过如图18所示的丝带或丝线产生，或者由流体流过，例如盲孔腔产生。
根据前面对本发明优选实施例的介绍使得本发明的方法和装置的优点和实现的改进效果十分明显。在不脱离如权利要求书所述的本发明的构思和范围前提下还可以作出多种变化和改进。

Claims (10)

1.用于控制具有一个湍流壁区域的边界层或其他壁面边界流体流场中湍流的方法，其特征在于，旋流圈偶或条纹系的直径与流强成函数关系，并且旋流圈偶或条纹沿流动方向延展，相干波形的传播结构以基本恒定的波群速沿与流动方向倾斜的方向传播，所说方法包括以下步骤：将两个分开的扰动导入湍流壁区域，这两个扰动在所说区域能够产生与斜向传播结构强烈耦合或使之改变的合成扰动场，所说合成扰动场增强或减弱传播结构与旋流圈偶系之间的相互作用，从而局部增加或减弱流场中湍流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：由流体与壁面上沿垂直于流动方向延伸并直线排布的小三角形突起带的相互作用产生一个扰动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第二个扰动可由把声能注入所说区域而生成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：一个扰动由流体与位于壁面展向的小三角形突起阵列之间的相互作用产生，所说的小三角形突起阵列由沿流向间隔设置的若干排突起构成，所说的每排突起沿垂直于流动方向的方向延展。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于第二扰动是通过将声能注入所说区域产生的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所说声能由发声器产生该发生器在一个频带内发射具有不同频率的声波。所说频带是经过选择的以使斜向波对所说旋流圈产生有序化作用和增强作用最大。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：一个扰动由流体与一排，或若干排组成阵列的沿展向嵌置在壁中的小三角形突起的相互作用产生，第二扰动由依一定时序启动的加热元件产生，从而在流场中以加热流体的斜向波的形式产生合成扰动。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所说声能是以具有不同频率的声波形式体现的，所说声波的频带是经过选择的以使斜向波对于旋流圈的有序化作用或增强作用最大。
9.一种用于控制具有一个湍流壁区域的边界层或其他壁面边界流体流场中湍流的方法，所说湍流壁区域特征在于其中旋流圈偶系的尺度与流强具有一定的函数关系，并且沿流向延展，具有相干波谱的传播结构以基本恒定的波群速沿与流向倾斜的方向传播，所说方法包括以下步骤：将由流体与沿直线排布的机翼形突起之间相互作用产生的扰动场导入该湍流壁区域，于是可产生增强旋流圈有序化的旋流圈对，从而局部减小流场中的湍流和阻力。
10.一种用于控制具有一个湍流壁区域的边界层或其他壁面边界流体流场中湍流的方法，所说湍流壁区域的特征在于其中旋流圈偶系的直径与流强具有一定的函数关系，并且沿流向延展，具有相干波谱的传播结构以基本恒定的波群速沿与流向倾斜的方向传播，所说方法包括以下步骤：将由流体与沿直线排布的小三角形突起之间的相互作用产生的扰动场导入该湍流壁区域，以使扰动与斜向传播结构强烈耦合并改变所说斜向传播结构，减小传播结构与旋流圈偶系之间的相互作用，加强旋流图的有序化，从而局部减小流场中的湍流和阻力。
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