CN118083115A - 用于流体操纵的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种具有第一推力装置的意向性流体操纵装置组件，所述第一推力装置在标称操作要求期间向局部自由流流动施加第一诱导速度。所述第一推力装置产生流管。第二推力装置位于所述流管的下游部分。所述第二推力装置向所述局部自由流流动施加第二诱导速度。在所述第二推力装置的位置处的所述第二诱导速度具有与在所述第二推力装置的位置处的所述第一诱导速度的方向相反的方向上的分量。

Description

用于流体操纵的装置和方法

本申请要求于2017年8月10日提交的美国临时申请第62/543,371号、于2018年6月15日提交的美国临时申请第62/685,295号以及于2018年7月27日提交的美国临时申请第62/703,898号的权益，其以引用的方式并入本文中。

背景技术

许多流体相互作用装置在低自由流流速下具有较大功耗。例如，对于直升机，悬停时所需的功率可以是标称水平巡航时所消耗的功率的两倍。传统固定翼飞行器的螺旋桨或商用喷气式客机的涡轮风扇在较小自由流流速(诸如起飞时发现的速度)下比在较大自由流流速(诸如在标称水平巡航时发现的速度)下针对给定的推力大小消耗更大功率量。同样，传统的开放式旋翼风力涡轮机能够从流体中提取的功率量不一定小。

试图减轻与相对低的自由流流速大小相关的推力产生或功率提取的低效率问题在效果上是有限的。例如，可以使用导管来增加螺旋桨、直升机旋翼或风力涡轮机的局部自由流流速。这种增加的幅度由导管的几何形状决定，而导管的几何形状又受到约束条件(诸如与流动分离有关的约束条件)的严格限制。对于较小自由流流速，即最需要导管的情况下，这些约束条件尤其严格。由于这些约束条件，只能通过具有较大扩压器的导管来对局部自由流流动产生较大影响，例如，这可能与过大的润湿面积和增加的重量相关联。

相对于流体运动的物体(诸如机身)通常会遭受摩擦力或牵引阻力。在现有技术中，试图最小化该牵引阻力通常局限于确保物体的润湿表面尽可能光滑。在某些情况下，这种光滑度可以有利于润湿表面的至少一部分上的层流，这可以有助于减小粘性牵引阻力。然而，即使在存在层流的情况下，该牵引阻力也是相当大的。

发明内容

根据一些实施例，一种流体操纵装置(诸如直升机主旋翼系统)可以配置为与传统直升机旋翼系统相比，减少在悬停期间消耗的功率，并且增加例如悬停持续时间。这些原理还提高了其它类型的流体相互作用装置(诸如螺旋桨或风力涡轮机)的推力产生或功率提取的效率。在一些实施例中，改变包含增加推力产生或功率提取流体相互作用装置的至少一部分的局部自由流流速。

上述粘性牵引阻力是流体相对于物体的润湿表面的局部自由流速度的函数。根据一些实施例，一种流体操纵装置可以配置为改变流体相对于物体的润湿表面的局部自由流速度，并且减小粘性牵引阻力。在一些实施例中，改变包含降低物体的润湿表面的至少一部分的局部自由流流速。

一些实施例包括一种意向性流体操纵装置和/或相关方法，其中，具有上游推力装置的推力装置组件可以配置为在标称操作期间相对于自由流流动在第一方向上产生预期力或推力。推力装置组件还可以包括至少一个下游推力装置，其中，该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中。下游推力装置可以配置为在上游推力装置的流管中的下游推力装置的位置处产生推力，该推力具有平行于上游推力装置的诱导速度矢量的方向的至少一个矢量分量。下游推力装置的推力可以在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上满足该方向标准。推力装置组件可以包括至少两个推力装置。

在一些实施例中，流管可以通过外部提升装置或推力装置来弯曲。在一些实施例中，上游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量不再需要与上游推力装置受到的推力对准。在一些实施例中，也可以不再与上游推力装置在上游推力装置的位置处的诱导速度矢量对准。在一些实施例中，下游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量可以配置为具有与上游推力装置在该位置处的诱导速度矢量相反的方向上的至少一个分量。在一些实施例中，下游推力装置受到的推力因此不必具有在上游推力装置的推力的相反方向上的分量。

其它实施例包括一种意向性流体操纵装置和/或相关方法，其中具有上游推力装置的推力装置组件可以配置为至少在相对于自由流流速矢量的预期方向上施加第一动量变化率。推力装置组件可以包括至少一个下游推力装置，其中下游推力装置可以至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中。下游推力装置可以配置为对上游推力装置的流管中的流体施加第二动量变化率，其中，对于上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域，该第二动量变化率的方向具有第一动量变化率对上游推力装置的流管中的流体的影响的相反方向上的至少一个分量。

其它实施例包括一种意向性流体操纵装置和/或相关方法，其中推力装置组件可以包括上游推力装置，该上游推力装置配置为向流体输送预期量的诱导功率。推力装置组件可以包括至少一个下游推力装置，其中下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中。下游推力装置可以配置为在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上从流体提取预期量的诱导功率。

其它实施例包括一种意向性流体操纵装置和/或相关方法，其中推力装置组件包括上游推力装置，该上游推力装置配置为从流体提取预期量的诱导功率。推力装置组件可以包括至少一个下游推力装置。下游推力装置可以至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中，并且下游推力装置可以配置为在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上向流体输送预期量的诱导功率。

其它实施例包括另一种意向性流体操纵装置(IFMA)组件。IFMA可以包括第一推力装置，该第一推力装置配置为在标称操作要求期间向局部自由流流动施加第一诱导速度，该第一推力装置产生流管。可以包括第二推力装置。第二推力装置可以位于流管的下游部分。第二推力装置可以配置为向局部自由流流动施加第二诱导速度。在第二推力装置的位置处的第二诱导速度可以具有与在第二推力装置的位置处的第一诱导速度的方向相反的方向上的分量。

在一些实施例中，第二推力装置可以配置为在流管中的第二推力装置的位置处产生第二推力，该第二推力具有平行于第一推力装置的诱导速度矢量的方向并且与第一推力装置的诱导速度矢量的方向对齐的矢量分量。

在一些实施例中，第二推力装置的推力可以在上游推力装置的流管与第二推力装置的第二流管之间的至少一部分重叠区域上进行计算。

在一些实施例中，标称操作要求可以用于提供净推力，其中净推力在惯性系中等于第一推力装置的第一推力矢量加上第二推力装置的第二推力矢量。

在一些实施例中，与第二推力装置对流体流动的影响可忽略不计的情况相比，可以减小产生净推力所需的诱导功率。

在一些实施例中，第一或第二推力装置中的一个的至少一部分可以从非零自由流流动中提取功率。

在一些实施例中，边界装置可以在空间上将第一推力装置与第二推力装置分开。

在一些实施例中，第一和第二推力装置可以配置为减少边界装置的阻力损失。

在一些实施例中，第一和第二推力装置可以包括开放式旋翼或导管式旋翼。

其它实施例包括另一种意向性流体操纵装置(IFMA)组件。IFMA可以包括具有外表面的边界装置。该边界装置可以配置为相对于周围流体移动。意向性动量承载装置(IMCA)可以联结至边界装置框架。IMCA可以以减小边界装置框架的外表面附近的流速梯度的方式联结至边界装置。

在一些实施例中，IMCA可以是联结至边界装置框架的多个IMCA中的一个，并且该多个IMCA可以以减小边界装置框架的外表面附近的流速梯度的方式联结至边界装置。

在一些实施例中，多个IMCA可以包括位于边界装置框架上游的前IMCA，该前IMCA可以配置为生成从前IMCA的后缘延伸以包围边界装置框架的流管。

在一些实施例中，多个IMCA可以包括位于边界装置框架的一部分周围的一个或多个中间IMCA中的，中间IMCA不在上游IMCA后面。

在一些实施例中，中间IMCA可以配置为使流管入射到中间IMCA的前缘停滞线上。

在一些实施例中，多个IMCA可以包括位于边界装置框架下游的后IMCA，该后IMCA配置为从后IMCA的前缘处的中间IMCA包围流管。

在一些实施例中，多个IMCA可以包括多个圆形导管。

在一些实施例中，多个导管中的每个导管可以配置为产生升力，该升力具有相对于边界装置配置为相对移动的方向轴线在径向向外的方向上的分量。

在一些实施例中，多个IMCA可以配置为在完全滑移的情况下减小边界装置的外表面处的流速大小。

在一些实施例中，在无滑移的情况下，减小流速大小可以导致外表面处的较小表皮阻力。

其它实施例包括一种飞行器。该飞行器可以具有机翼和机身。下游推力装置可以附接到机身。下游推力装置可以配置为施加第一推力矢量。在标称水平巡航期间，飞行器可以具有沿着第一推力矢量的方向的飞行方向。

在一些实施例中，上游推力装置可以附接到机身。上游推力装置可以配置为施加与第一推力矢量相反的第二推力矢量。第二推力矢量可以在标称水平巡航期间减小机身附近的空间流速梯度。

在一些实施例中，上游推力装置可以包括导管风扇，该导管风扇配置为使流体流动在遇到位于导管风扇内的风扇盘之前减速。

在一些实施例中，上游推力装置可以配置为从流体流动中提取能量。

在一些实施例中，上游推力装置可以配置为将至少一部分能量电性或机械地传递到下游推力装置。

在一些实施例中，第一推力矢量的大小可以大于第二推力矢量的大小。

其它实施例包括一种流体操纵装置，该流体操纵装置可以具有边界装置，该边界装置具有配置用于与流体相互作用的表面。一种意向性流体操纵装置(IFMA)组件可以联结到边界装置。IFMA组件可以配置为减小边界装置的表面附近的空间流速梯度。

在一些实施例中，IFMA组件可以包括联结至边界装置框架的至少一个意向性动量承载装置(IMCA)。

在一些实施例中，该至少一个IMCA可以是联结至边界装置框架的多个IMCA中的一个。

在一些实施例中，IFMA组件可以包括上游意向性动量释放装置(IMSA)，该IMSA配置为向局部自由流流动施加第一诱导速度。

在一些实施例中，IFMA组件可以包括下游IMSA，该下游IMSA配置为向局部自由流流动施加第二诱导速度。

在一些实施例中，推力矢量可以与上游IMSA中的至少一个相关联，并且下游IMSA位于与局部自由流流动基本相同的方向上。

在一些实施例中，边界装置可以位于上游IMSA与下游IMSA之间。

在一些实施例中，上游IMSA和下游IMSA中的至少一个可以配置为从流体流动中提取能量。

在一些实施例中，能量可以在上游IMSA与下游IMSA之间进行电性或机械传递。

在一些实施例中，上游IMSA和下游IMSA中的至少一个可以包括螺旋桨。

在一些实施例中，局部自由流流动的减小速度可以减小边界装置的阻力。

在一些实施例中，可以减小边界装置的局部自由流流动的速度。

一些实施例包括一种意向性流体操纵装置(IFMA)组件，IFMA组件包括：边界装置，在边界装置和流体之间的界面处具有表面；上游意向性动量释放装置IMSA；以及至少一个下游IMSA，其中，边界装置联结到上游IMSA和下游IMSA；其中，上游IMSA配置成在标称操作条件期间向局部自由流流动施加第一诱导速度，以及其中，下游IMSA布置成使得在标称操作条件期间，流经上游IMSA和下游IMSA两者的流体的至少一部分形成第一流管，并且下游IMSA配置成向第一流管内的局部自由流流动施加第二诱导速度，其中，在第一流管内，下游IMSA的位置处的第二诱导速度在与下游IMSA的位置处的第一诱导速度的方向相反的方向上具有分量，以及其中，上游IMSA能够配置成减小边界装置的表面的至少一部分附近的空间流体流速梯度，空间流体流速梯度在与表面的向外法线对准的方向上计算，空间流体流速梯度的减小相对于其中上游IMSA和下游IMSA对流体流动具有可忽略的影响的基线情况而发生。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分位于上游IMSA的下游。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分位于上游IMSA的上游。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分位于上游IMSA的下游和下游IMSA的上游。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分位于下游IMSA的下游。

在一些实施例中，净牵引阻力的减小包括边界装置的型阻的减小。

在一些实施例中，净牵引阻力的减小包括边界装置的粘性牵引阻力的减小。

在一些实施例中，净牵引阻力的减小包括边界装置的波阻的减小。

在一些实施例中，上游IMSA和/或下游IMSA能够配置成与基线情况相比，在标称操作条件期间减小边界装置的远尾流中的流体的动能。

在一些实施例中，上游IMSA包括开放式旋翼或导管式旋翼。

在一些实施例中，下游IMSA包括开放式旋翼或导管式旋翼。

在一些实施例中，开放式旋翼或导管式旋翼包括至少一个旋翼叶片，其中，旋翼叶片相对于旋翼叶片的旋转轴线的桨距角能够被改变。

在一些实施例中，在上游IMSA处的第一诱导速度包括在第二流管的至少一部分内沿着上游IMSA的局部自由流流速的方向的分量。

在一些实施例中，在上游IMSA处的第一诱导速度包括在第一流管的至少一部分内沿着上游IMSA的局部自由流流速的相反方向的分量。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分附近的空间流体流速梯度的减小包括边界装置的表面的部分处的空间流体流速梯度的减小，减小相对于基线情况发生。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分附近的空间流体流速梯度的减小包括在完全滑移的情况下边界装置的表面的部分处的流体流速的幅度的减小，减小相对于完全滑移基线情况发生。

在一些实施例中，边界装置的表面的部分附近的空间流体流速梯度的减小包括边界装置在表面的部分处的局部自由流流速的幅度的减小，该减小相对于基线情况发生。

在一些实施例中，在完全滑移的情况下，在边界装置的表面的部分处的净诱导速度包括在上游方向上的分量。

在一些实施例中，在边界装置的表面的部分附近的净诱导速度包括在上游方向上的分量。

在一些实施例中，IFMA组件可以包括在上游IMSA和下游IMSA之间传递功率的功率传递装置，其中，功率能够从下游IMSA传递到上游IMSA，和/或从上游IMSA传递到下游IMSA。

在一些实施例中，功率能够机械地传递。

在一些实施例中，功率传递装置包括驱动轴、齿轮系和/或离合器。

在一些实施例中，功率能够电性传递。

在一些实施例中，下游IMSA驱动发电机，其中，由下游IMSA产生的电力能够被输送到联接到上游IMSA的电动机，和/或其中，上游IMSA驱动发电机，其中，由上游IMSA产生的电力能够被输送到联接到下游IMSA的电动机。

在一些实施例中，上游IMSA能够从第一流管内的流体流动中提取功率，并且下游IMSA能够将功率输送到第一流管内的流体。

在一些实施例中，由上游IMSA从流体提取的功率在幅度上能够大于由下游IMSA向流体输送的功率。

在一些实施例中，由上游IMSA从流体提取的功率在幅度上能够小于由下游IMSA向流体输送的功率。

在一些实施例中，下游IMSA能够从第二流管内的流体流动提取功率，并且上游IMSA能够向第二流管内的流体输送功率。

在一些实施例中，上游IMSA配置成意向性地从流体提取功率以及向流体输送功率，和/或下游IMSA配置成在标称操作条件期间意向性地从流体提取功率以及向流体输送功率。

在一些实施例中，边界装置是通过流体移动的飞机的机身、船的船体、火车、卡车、汽车、自行车的车体或车辆的车体中的任一者。

在一些实施例中，边界装置在上游IMSA的上游和/或下游IMSA的下游延伸。

在一些实施例中，上游IMSA或下游IMSA包括围绕边界装置旋转的旋翼。

附图说明

图1和图2是现有技术推力装置的剖视图。

图3是根据一些实施例的意向性流体操纵装置(“IFMA”)配置的剖视图。

图4是根据一些实施例的IFMA配置的剖视图。

图5是现有技术流体操纵装置的剖视图。

图6是根据一些实施例的IFMA配置的剖视图。

图7是根据一些实施例的IFMA配置的剖视图。

图8和图9分别是根据一些实施例的IFMA配置的剖视图和前视图。

图10、图11、图12和图13分别是根据一些实施例的IFMA配置的透视图、侧视图、俯视图和后视图。

图14是根据一些实施例的IFMA配置的剖视图、透视图和斜视图。

图15至图18是根据一些实施例的各种IFMA配置的斜视图。

图19至图21是根据一些实施例的各种IFMA配置的侧视图。

具体实施方式

本文所用的术语“流体”涵盖表现出流体性质的所有类型的材料。一种这样的性质是组成颗粒相对于彼此移动的能力。例如，它可以指诸如等液体、或诸如空气等气体。应当注意，流体可以同时包含几种不同类型和种类的流体，诸如由几种气体组成的空气。除非特别说明，为了简单起见，不同流体的组合仍然称为“流体”。

术语“自由流流动”定义为相对于特定点的理论流动，如果物体(诸如装置的组件)不与流体相互作用，就会发生该理论流动。因此，它也可以称为全局自由流流动。装置的组件可以是车辆(诸如飞行器或船舶)或不同类型的流体操纵装置(诸如风力涡轮机)或者例如此类组件的任何部分。自由流流动可以包含惯性空间中特定点的运动的贡献，诸如车辆在惯性空间中的运动。它还可以包含惯性空间中流体运动的贡献，诸如风或气流。不同的特定点可以经历不同的自由流流动。例如，装置可以转动，使得装置上的不同点在惯性空间中以不同的速度移动，并且在惯性空间中理论上静止的流体中经历不同的自由流流速。

术语“局部自由流流动”定义为相对于特定装置的理论流动，如果只有特定装置不与流体相互作用，就会发生该理论流动。局部自由流流动包含自由流流动的贡献以及由于与流体相互作用的其它装置(诸如组件的其余部分的那些装置)引起的贡献。例如，由水平固定机翼产生的气流下洗可能会影响相对于安装在机翼下游的水平稳定器的局部自由流流速大小和方向。

“流体操纵装置”或FMA定义为操纵流体性质的装置。例如，对于特定情况或边界条件，FMA可以相对于自由流流速的大小来改变流体元的流速大小。在另一个实例中，对于特定情况，FMA可以相对于自由流流速方向来改变流体元的流体流速的方向。对流体流动的这种影响可以是意向性的或非意向性的。当对流体的至少一些影响是意向性的时，FMA可以进一步分类为“意向性流体操纵装置”或IFMA。对流体流动的意向性影响只能局限于一些IFMA，如在下面定义的“意向性动量承载装置”或IMCA的情况下。对于其它IFMA，对流体流动的意向性影响也可以发生在远尾流中，如“意向性动量释放装置”或IMSA的情况。这些定义将在下面的段落中进行阐明。

由于动量释放的意向性质，IMSA也可以称为“推力装置”或TA，其定义成配置为在标称操作期间像流体施加意向性动量变化率的任何装置。TA的一个实例是传统螺旋桨或直升机主旋翼。在标称恒速巡航期间提供升力的固定翼飞行器的机翼也可以视为推力装置。还有许多其它可能类型的TA可用。例如，动量变化率可以由TA通过电磁力施加到流体上。例如，TA可以是霍尔效应推进器或磁流体动力(MHD)驱动器。福伊特-施耐德推进器、回旋陀螺仪或类似设备也是TA的实例。

在上述推力装置定义中，对流体施加意向性动量变化率的要求可以以几种方式来描述。例如，考虑将推力装置与装置组件中的其它流体操纵装置隔离。例如，考虑将机翼与固定翼飞行器的其余部分隔离。或者，考虑将直升机主旋翼与传统直升机的其余部分隔离。在称为“隔离情况”的理论情况下，推力装置视为是隔离的，并且如下定义或表征：在标称操作条件下，相对于推力装置在远尾流中存在意向性的非零诱导流。

在某些情况下，标称操作条件可能涉及在空间和时间上均匀的自由流流速大小和方向。在某些情况下，在恒速巡航期间的操作条件可以描述为标称操作条件。在这种标称操作条件下，远尾流位于离推力装置无限远的距离处。换言之，与自由流流场相比，推力装置对离推力装置无限远的流场具有意向性的、不可忽略的影响。

本文所定义并使用的术语“意向性”是指要求动量变化率是有用的或有意的。例如，在上述隔离情况下，有用的动量变化率可以有助于流体元在远尾流中的平均诱导速度，其中该速度在与预期推力或升力方向相反的方向上具有非零分量。对于一些推力装置，流体元在远尾流中的平均诱导速度在与预期推力或升力方向相反的方向上具有相当大的分量。与升力或推力产生相关的固定翼或直升机主旋翼的远尾流诱导流动视为是意向性的。在推力装置附近的流体动量的相关变化率也视为是意向性的。推力装置对远尾流的意向性影响不同于对远尾流中流体流场的非意向性的、无用的或反作用的影响，这种影响可能与例如作用在推力装置的某些元件上的型阻、压力阻力相关联。即，与数学上消除了这些影响的理论情况相比，如果其他条件相同，这些非意向性影响不必要地增加了功耗。

也可以以另一种方式来描述给流体施加意向性动量变化率的要求。例如，推力装置也可以定义为可视为在普朗特升力线理论的简化框架中意向性地释放涡流的任何装置。因此，推力装置、或TA、或IMSA也可以描述为“意向性涡流释放装置”或IVSA。应当注意，升力线理论的框架应仅视为参考或指导，因为它依赖于简化假设，诸如无粘性和不可压缩流动。由推力装置意向性或有意释放的涡流通过向流体施加动量变化率而有助于作用在推力装置上的升力或推力。当在标称操作条件的上述隔离情况下中考虑推力装置时，意向性释放的涡流也存在于离推力装置无限远的距离处，在该处产生意向性诱导流动。换言之，存在由于推力装置或由推力装置产生的非零意向性远尾流诱导流速。应当注意，在某些模型中，诸如考虑粘性阻力的数学模型或理论释放涡流形式的边界层效应，推力装置也可以视为非意向性地释放涡流。非意向性涡流释放是指不是有意释放的任何涡流，即没有执行或有助于诸如产生升力或推力等有用功能的任何涡流。

意向性动量承载装置或IMCA是流体操纵装置，这种流体操纵装置在隔离情况下考虑时不会意向性地将动量释放到远尾流中。IMCA的一个实例是导管或传统的管状或雪茄状的轴对称机身。机身通过意向性地偏转机身周围的气流来改变自由流流动，这也增加了在隔离情况下机身附近流动速度的大小，在这种隔离情况下将机身视为是与标称操作条件(诸如恒速巡航)的任何其它流体操纵装置(诸如机翼)隔离。上述的流动的意向性偏转局限于机身附近。因此，机身附近的流体元经历意向性的局部动量变化率。在理想情况下，对在离机身无限远距离处的流体流动没有影响。换言之，机身对流体流动没有意向性远尾流效应。在机身附近可能存在流体的非意向性动量变化率，与自由流流动相比，这也可能与在隔离情况下离机身无限距离处的流体元的非意向性动量变化相关联。例如，远尾流中流体流动的此类非意向性变化可以由型阻效应引起。

同样，导管通过意向性改变导管附近的流速大小来改变自由流流动。例如，导管可以配置为相对于在标称操作条件的隔离情况下的自由流流动，减小圆形导管中心处的流体元的流速大小。在这种情况下，标称操作条件可以指平行于导管的对称中心轴线的恒定且均匀的自由流流速。这种意向性变化仅局限于导管附近，并且在离导管中心的无限距离处收敛到可忽略的值。因此，导管对流体流动没有意向性远尾流影响，即，由于导管与流体的相互作用，不存在流体元的远尾流非意向性诱导流速。如前所述，由于牵引阻力或瞬态效应，可能存在远尾流中流体流动的非意向变化，以及导管附近的流体的相关联的非意向性动量变化率。

IMCA也可以在升力线理论的简化框架中描述。IMCA可以视为具有封闭或界限涡度。因此，IMCA也可以视为“意向性涡流承载装置”或IVCA。例如，轴向对称的圆形导管对流体的意向性影响可以建模为圆形涡环、或二维或三维连续涡度分布、或逐渐变小的离散涡环。注意，在标称操作条件下，没有意向性涡度释放到流体中，其中涡量的大小在时间上是恒定的并且沿着涡环的圆周是均匀的。同样，也可以将机身对流体流动的意向性影响建模为包含在机身内或位于机身表面(即机身与流体之间的界面)上的三维连续涡度分布。

IMSA的“诱导功率”是与流体的意向性动量变化率相关联的流体能量变化率。任何其它功耗都计入“零升力功率”或“轮廓功率”。应当注意，在这种情况下，术语“升力”也包含推力。应当注意，IMCA不会消耗任何诱导功率。与纯IMCA相关联的任何功率损耗均视为轮廓功率损耗。IMSA能够消耗诱导功率，在这种情况下，通过流体操纵装置对流体进行意向性做功。例如，飞行器或船舶的螺旋桨、或传统固定翼飞行器的固定翼会导致诱导功率消耗或者与诱导功率消耗相关联。IMSA还能够回收诱导功率，在这种情况下，通过流体对流体操纵装置进行意向性做功。例如，由风力涡轮机产生的功率可以视为诱导功率。

在向流体施加动量变化率的过程中，流体操纵装置可以相对于局部自由流速度来改变流速。这种速度变化是“气流下洗”或“诱导速度”。应当注意，例如，诱导速度可以指向下游或上游，或垂直于气流。诱导速度可以由IMSA或IMCA产生。在后一种情况下，诱导速度是局部的，即限于IMCA附近。在这些术语中，IMSA也可以表征为一种装置，该装置在隔离情况下向远尾流贡献意向性诱导速度。应当注意，当同时考虑两个IMSA时，一个IMSA的诱导速度贡献可以被另一个IMSA抵消。

在下面的段落中以及在图1和图2的上下文中，将对现有技术中使用的几种装置和方法进行论述。

图1是现有技术TA的剖视图。图示了螺旋桨1，其中螺旋桨1的推力指向附图的顶部，如推力矢量39所示。在所示的操作条件下，存在从附图的顶部流向底部的非零自由流流动，如箭头40所示。

虚线示意性地表示自由流流动与流经旋翼桨盘的流动之间的近似边界2。位于边界上的线可以描述为流线，并且由边界包围的体积可以描述为流管。应当注意，附图中所示的边界仅是特定操作条件的实例。对于所描绘的TA的其它操作条件或操作模式，诸如悬停或从自由流流动(诸如凤或水流)中提取能量，边界的形状可以是大不相同的。在螺旋桨前方远处的自由流中，流动大约相当于自由流流动。

流体的这种状态由图1中的工位3表示。在螺旋桨处的流体的特性由工位4封装。远尾流中的流动或远在螺旋桨下游的自由流由站5表示。由于螺旋桨加速了流动，所以流管的面积从工位3到工位4以及从工位4到工位5减小。

在工位5处，流动具有比自由流流动(诸如在工位3处发现的流动)更大的速度大小，而在传统简单动量理论的框架中，可以假定流管内部的流动压力已经返回到自由流压力。在工位5处的较大速度指示由于螺旋桨加速流动并经受相等且相反的力或推力而导致的流体动量的增加。速度越高，流体中的动能也越大，在上述框架中，动能表示提供推力所需的功率。

应当注意，简单动量理论仅用作描述使用TA的升力基本原理的框架，并且通常包含在该理论内的假设不旨在应用于实施例或限制范围。例如，气流下洗的分布通常不需要在流管的横截面上恒定。应当注意，在每个工位处绘制的流管半径是近似的，并且仅旨在指示流管的一般形状。

螺旋桨的剖视图示出了第一螺旋桨叶片6和第二螺旋桨叶片7。第一螺旋桨叶片6的后缘9和第二螺旋桨叶片7的前缘10也是可见的。在含有螺旋桨的所有附图中，示出了相似的配置。

图2是另一现有技术TA的剖视图。图示了导管螺旋桨，其中螺旋桨11的推力指向附图的顶部，如推力矢量41所示。在所示的操作条件下，存在从附图的顶部流向底部的非零自由流流动，如箭头42所示。存在由导管16产生的附加推力，该导管16具有前缘17和后缘18以及横截面19。与图1相似，存在流管边界12，该流管边界12具有远上游工位13、在旋翼处的工位14和远尾流工位15。导管16在周向上包围螺旋桨11。

根据一些实施例，提供了一种装置和方法，该装置和方法可以比现有技术中采用的方法更有效地改变流动。改变可以涉及但不限于流动中特定位置处的流速，并且可以应用于但不限于产生推力。

该方法包含：提供具有上游推力装置的推力装置组件，该上游推力装置配置为在标称操作期间相对于自由流流动在第一方向上产生预期的力或推力，并且进一步提供具有至少一个下游推力装置的推力装置组件，其中该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中，以及其中该下游推力装置配置为在上游推力装置的流管中的下游推力装置的位置处产生推力，该推力具有平行于上游推力装置的诱导速度矢量的方向的至少一个矢量分量，其中下游推力装置的推力在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上满足该方向标准。推力装置组件可以包括至少两个推力装置。

应当注意，流管可以通过外部提升装置或推力装置来弯曲。在某些情况下，上游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量不再需要与上游推力装置受到的推力对准。在某些情况下，也可以不再与上游推力装置在上游推力装置的位置处的诱导速度矢量对准。下游推力装置在下游推力装置的位置处的诱导速度矢量配置为具有与上游推力装置在该位置处的诱导速度矢量相反的方向上至少一个分量。因此，下游推力装置受到的推力不必具有在上游推力装置的推力的相反方向上的分量。

可替代地，该方法包含：提供具有上游推力装置的推力装置组件，该上游推力装置配置为相对于自由流流速矢量在至少预期方向上施加第一动量变化率，并且进一步提供具有至少一个下游推力装置的推力装置组件，其中该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中，以及其中该下游推力装置配置为对上游推力装置的流管中的流体施加第二动量变化率，其中，对于上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域，该第二动量变化率的方向具有第一动量变化率对上游推力装置的流管中的流体的影响的相反方向上的至少一个分量。

可替代地，该方法包含：提供具有上游推力装置的推力装置组件，该上游推力装置配置为向流体输送预期量的诱导功率，并且进一步提供具有至少一个下游推力装置的推力装置组件，其中该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中，以及其中该下游推力装置配置为在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上从流体中提取预期量的诱导功率。

可替代地，该方法包含：提供具有上游推力装置的推力装置组件，该上游推力装置配置为从流体中提取预期量的诱导功率，并且进一步提供具有至少一个下游推力装置的推力装置组件，其中该下游推力装置至少部分地设置在上游推力装置的下游流管的至少一部分中，以及其中该下游推力装置配置为在上游推力装置的流管与下游推力装置的流管之间的至少一部分重叠区域上将预期量的诱导功率输送至流体。

此类推力装置组件的一个好处是改变了流管内特定点处的流速。例如，在上游和下游推力装置之间的工位处，可以人为地增加流速。在理想情况下，上游推力装置所做的任何功都可以由下游推力装置回收，从而使过程中的能量损失最小。此外，由上游推力装置向流体施加的任何不期望的动量变化都可以被下游推力装置消除。换言之，上游推力装置受到的任何不期望的推力都可以被下游推力装置抵消。因此，一些实施例提供了一种用于改变流动的方法，其中该方法可以比现有技术中采用的方法更有效。

有许多采用上述方法的装置的可能实施例。图3示出了一个实施例。该图示出了一种推力装置组件，该推力装置组件包含上游推力装置20和下游推力装置21，上游推力装置20可以分类为螺旋桨，下游推力装置21在这种情况下也可以描述为螺旋桨。在其它实施例中，推力装置20或21的类型可以不同于所示的开放式旋翼类型。例如，推力装置可以包含若干开放式旋翼，或者可以包含至少一个导管风扇或一对反向转动的同轴螺旋桨。与图1相似，存在流管边界22，该流管边界22具有远上游工位23、在上游推力装置20处的工位24、在上游推力装置20与下游推力装置21之间的工位25、在下游推力装置21处的工位26和远尾流工位27。在这种情况下，下游推力装置21设置在上游推力装置20的流管22中。

在该实例中，推力装置组件需要提供垂直向上指向附图顶部的净推力，如推力矢量43所示。存在从附图的顶部向底部的自由流流动，如箭头45所示。本实例中的实施例的目的在于，与基线配置相比，在给定量的推力下减小推力装置组件的诱导功率。这种情况下，基线配置是单个开放式旋翼，诸如图1所示的开放式旋翼实例，其中在工位4和工位24处的净推力和致动器盘面积是相同的。

根据一些实施例，这是通过下面图3所示的IFMA配置来实现的。上游推力装置20配置为提供推力，该推力平行于并大于推力装置组件的所需净推力，其中净推力是上游推力装置20的推力加上下游推力装置21的推力。推力装置组件上的净推力需要等于所需推力。因此，下游推力装置21上的推力等于净推力和上游推力装置20的推力的差值。在这种情况下，这导致下游推力装置21上的推力垂直向下指向附图的底部，如推力矢量44所示，指向上游推力装置20上推力的相反方向。换言之，下游推力装置21配置为提取由上游推力装置施加给流体的任何动量，该动量将违反并在这种情况下超过推力装置组件上的所需净推力约束。下游推力装置21还配置为从流体提取功率。为了与基线相比提高诱导功率消耗，需要将足够部分或全部的已提取诱导能量可逆地回收或直接地传递到上游推力装置20。

通过将能量可逆地储存在推力装置组件内或者将能量可逆地传递到与该推力装置组件相互作用的另一装置，可以可逆地回收能量。例如，下游推力装置可以驱动发电机G，发电机G可以包含配置为将一部分机械能转换成电能的电动机。一部分电能可以可逆地存储在电池、电容器或其它能量储存设备中。电池可以位于推力装置组件内，或者位于附接至推力装置组件的外部装置(诸如车辆的其余部分)上。还可以以飞轮的形式来机械地提取和储存能量。

能量可以以若干种方式直接传递到上游推力装置20。例如，如果能量是通过发电机G从下游推力装置21提取的，则电能可以经由电导体或电线传递到驱动上游推力装置20的电动机M。可替代地，由下游推力装置提取的功率可以以刚性连接上游推力装置20和下游推力装置21的驱动轴的形式来机械传递。在一些实施例中，机械能传递装置不需要形成刚性连接，而是包含可调节的联动装置、齿轮和其它机构，诸如离合器。

本领域中有许多公知的其它方法用于从下游推力装置21回收机械能并储存机械能或将机械能传递到上游推力装置20。

上述实施例导致诱导功率小于基线诱导功率。对于工位4和工位24处的给定最大致动器盘面积以及给定净推力，诱导功率随着上游推力装置20的推力增加而减小。应当注意，上游推力装置20的推力需要大于所需净推力，以便与本实例中的基线相比实现诱导功率的减小。

一些实施例提供了对如图2所示的导管式推力装置的改进。该导管具有若干优点，例如减小了螺旋桨的尖端损失，这使得导管在与开放式旋翼相同量的推力下以较低诱导功率运行。导管也有若干缺点。它可以增加TA的重量以及润湿面积和相关阻力。导管的有效性还受到扩散器中流动分离风险的限制。此外，由于复杂性和重量，改变导管的形状以在不同流速下获得效率增益通常是不切实际的。

一些实施例受这些缺点中的一些缺点影响较小。对于一些无导管的实施例，推力装置可以经受导管的益处，而在重量和润湿面积上没有等同损失。为了避免流动分离，导管将需要大的扩散器，由于重量和尺寸约束，这可能是不实际的。无导管实施例对于失速约束不太敏感，这将允许一些实施例实现比导管式旋翼更好的性能。推力装置还可以以比导管更低的复杂性来重新配置。例如，可以通过改变螺旋桨叶片的总桨距来重新配置开放式旋翼类型的推力装置，并且可以容易地控制转速。这可以允许推力装置在不同操作条件(诸如悬停或水平巡航)下以较低的复杂性更有效地操作。

应当注意，在图3中，上游推力装置20提供特定推力装置组件的所需推力以及由下游推力装置21抵消的附加推力。在一些实施例中，可能希望将抵消彼此对推力装置组件的净推力贡献的推力装置与推力装置组件的其余部分物理分开。

图4图示了此类情况。该图示出了一种辅助推力装置组件，该辅助推力装置组件包含上游推力装置28和下游推力装置30，上游推力装置28可以分类为螺旋桨，下游推力装置30在这种情况下也可以描述为螺旋桨。该图还示出了中间推力装置29，该中间推力装置29也是开放式旋翼类型。存在从附图的顶部垂直向下指向底部的自由流流动，如箭头49所示。与图1相似，存在流管边界31，该流管边界31具有远上游工位32、在上游推力装置28处的工位33、在上游推力装置28与中间推力装置29之间的工位34、在中间推力装置29处的工位35，在中间推力装置29与下游推力装置30之间的工位36、在下游推力装置30处的工位37和远尾流工位38。在这种情况下，中间推力装置29和下游推力装置30设置在上游推力装置28的流管31中。

在该实例中，中间推力装置29提供与总推力装置组件的所需净推力相等的推力，如推力矢量47所示，其中推力装置组件包含上游推力装置28、中间推力装置29和下游推力装置30。因此，辅助推力装置组件不需要提供净推力。如图3所示，本实例中的实施例的目的在于，与基线配置相比，与基线配置相比，在给定量的推力下减小总推力装置组件的诱导功率。在这种情况下，基线配置也是单个开放式旋翼，诸如图1所示的开放式旋翼实例，其中在工位4和工位33处的净推力和致动器盘面积是相同的。

根据一些实施例，这是通过下面图4所示的实施例来实现的。上游推力装置28配置为提供推力，该推力平行于并大于总推力装置组件的所需净推力，其中净推力是上游推力装置28的推力加上中间推力装置29的推力再加上下游推力装置30的推力。因此，上游推力装置28的推力指向页面顶部，如推力矢量46所示。在这种情况下，下游推力装置30上的推力与上游装置28的推力相等且相反，如推力矢量48所示。换言之，下游推力装置30配置为提取由上游推力装置施加给流体的任何动量，该动量将违反并在这种情况下超过总推力装置组件上的所需净推力约束。下游推力装置30还配置为以先前关于图3中的下游推力装置21描述的方式从流体中提取功率。

应当注意，上游推力装置和下游推力装置不必以最小诱导功率单独运行，只要总诱导功率最小即可，如果这是目标的话。例如，如果目标是在工位38处保持远流流管横截面上的恒定气流下洗，则上游推力装置28或中间推力装置29的气流下洗不必是均匀的，只要通过下游推力装置消除任何不均匀性。

应当注意，适用于同轴螺旋桨的原理也适用于一些实施例。例如，中间推力装置29的工位35处的致动器盘面积可以与工位33处上游推力装置28的致动器盘面积一样大。因此，中间推力装置的一部分与自由流流动相互作用。中间推力装置可以使用该面积来进一步在总推力装置组件的所需推力的方向上向流体施加动量变化率。这可以允许推力装置组件与基线相比进一步减小诱导功率。同样，也可以增加下游推力装置的致动器盘面积，诸如图4中的30或者图3中的21。与旁路流体流动相互作用的构思在本领域中是公知的。此外，如现有技术中公知的，可以选择流管中螺旋桨的转动方向，使得远尾流中的涡流最小化。

在下面段落中将描述其它实施例。

为了一般性，单独考虑实施例是有益的。在一个实施例中，装置的目的是在流动中的特定点处相对于自由流流动增加局部流速。这可以通过具有配置为在下游施加动量变化率的上游推力装置的推力装置组件来实现，从而产生下游诱导流速矢量。上游推力装置位于流动中特定点的上游，并且在上游方向上受到推力并对流体做功，从而导致诱导功率消耗。该推力装置组件可以进一步包含下游推力装置，该下游推力装置配置为在上游施加动量变化率，从而产生上游诱导流速矢量。下游装置位于上游推力装置的流管中。下游推力装置位于流动中特定点的下游，并且在下游方向上受到推力并从流体中回收功率。在理想情况下，由上游装置施加给流体的所有诱导功率均由下游装置回收，使得净诱导功率不会损失到流体。在要求推力装置组件的零净推力的理想化情况下，上游推力装置和下游推力装置上的推力进一步抵消。只要上游推力装置组件和下游推力装置组件定位得足够远以允许流动加速，位于上游推力装置与下游推力装置之间的特定点就可以经历局部流速的期望增加。这是由于上游推力装置的诱导流动或气流下洗以及下游推力装置的气流下洗。随后，可以通过下游推力装置在特定点的下游进一步回收该气流下洗，使得在理想情况下，在流管的远尾流中不存在气流下洗。

在另一个实施例中，装置的目的是降低流动中特定点处的局部流速。根据一些实施例，与上述实例相比，这可以通过与颠倒上游推力装置和下游推力装置的作用来实现。因此，上游推力装置可以配置为在上游施加动量变化率，从而产生上游诱导流速矢量。类似地，下游推力装置可以配置为在下游施加动量变化率，从而产生下游诱导流速矢量。在理想情况下，由上游装置回收的所有诱导功率被下游装置消耗掉，使得推力装置不会从流体中提取净诱导功率。

应当注意，上游推力装置只需要在特定点处满足局部流速要求。与自由流流动相比，包含上游推力装置的致动器盘面积的流管中的不同点可能需要不同的局部流速增加或减少。局部流速要求可以视为对推力装置组件在流管中特定点或点集合处或流管附近的气流下洗的要求。这些要求可以通过改变上游推力装置和下游推力装置的致动器盘面积上的推力分布来满足。考虑到在特定点处的这些流动约束，可能存在附加目标，诸如最小化诱导功率的最小化，这可以转换为对远尾流中的零气流下洗或均匀气流下洗的附加要求。该目标还可以是最小化在该操作条件下消耗的总功率。

考虑推力装置组件的操作条件，目的是针对给定的最大致动器盘面积和自由流流速，最大化从流体中提取的功率，假设总是满足结构约束。可以考虑由开放式旋翼(诸如风力涡轮机)组成的基线配置。根据一些实施例，推力装置组件可以包含上游推力装置和下游推力装置。在该实例中，下游推力装置设置在上游推力装置的滑流中。存在非零的自由流流动。上游推力装置配置为通过在下游方向上对流动施加动量变化率来对自由流流动做功。通过与流体的相互作用，上游推力装置因此受到指向上游的力。下游推力装置配置为从上游推力装置的流管中的流动提取功率。换言之，流体在下游推力装置上做功，并且受到指向上游的动量变化率，使得下游推力装置受到下游方向上的力。因此，与基线开放式旋翼配置相比，可以实现性能改进。例如，风力涡轮机可以包含两个开放式旋翼，其中一个旋翼位于桅杆的上游，而另一个旋翼位于桅杆的下游。旋翼可以如上所述操作。上游旋翼消耗的功率可以由外部电源或下游旋翼提供。如在图3的描述中提及的，例如，经由与轴的直接连接或者经由包含齿轮系和离合器的可调节传动装置，功率可以在上游推力装置与下游推力装置之间机械传递。功率也可以电传递，其中下游旋翼驱动发电机，发电机的电能传输到驱动上游旋翼的电动机。应当注意，其它配置也是可能的，并且原理也适用于水力涡轮机或其它推力装置或操作条件。

在一些实施例中或操作条件下，可能希望降低下游旋翼的致动器盘处的局部流速，而不是增加该局部流速。例如，在风力涡轮机的情况下，对于某些操作条件，自由流流速可以超过下游旋翼的允许峰值自由流流速。应当注意，由于上游旋翼和下游旋翼的不同尺寸和标称操作负载，例如由结构限制确定的上游旋翼的峰值自由流流速可以大于下游旋翼的峰值自由流流速。它们在设计上也可以不同。在这种情况下，可以使上游旋翼上的推力反向，从而从流动中提取功率并且将下游旋翼处的流速降低到标称水平。这样，可以防止下游旋翼上的推力超过设计极限。因此，上游推力装置可以用于改变流场，从而优化整个推力装置组件的性能。应当注意，本领域中公知的其它方法也适用于此类情况。在单个开放式旋翼的情况下，可以调节诸如转速和螺旋桨桨距等操作条件。然而，这些方法的有效性受限于自由流速度的范围，并且一些实施例可以扩展这些限制。在上下文中描述的原理也适用于其它操作条件和情况。

在下面的段落中以及在图5的上下文中，将对现有技术中使用的一些装置和方法进行论述。

“边界装置”包含直接向流体元施加力或力矩的流体操纵装置的任何增量表面或体积，反之亦然。边界装置的实例是飞行器机身的润湿表面、或船舶的船体的浸湿表面、机翼的表皮、平板的表面、或汽车的外表面。

图5示出了相对于周围流体移动的边界装置61的剖视图。边界装置61具有前缘点64和后缘点65。前缘点和后缘点也可以是边缘，诸如机翼的前缘或后缘。在该特定实施例中，为了简单起见，边界装置是可以描述为薄壳的刚性体，具有封闭的外表面62和内表面63。在该实施例中，边界装置61的形状是旋转形状，即，它关于穿过前缘点64和后缘点65的轴线轴对称。

可以如下定义“边界装置框架”或“BAF”。原点位于由边界装置61的外表面62包围的体积的几何质心处。x轴与连接前缘点64和后缘点65的直线重合，并且指向前缘点64。除非指定，z轴垂直指向附图的页面。

示出了三个速度分布图67-69。速度分布图中的每个箭头指示增量流体元相对于边界装置的速度矢量，其中增量流体元位于箭头的基部。连接速度分布图67中箭头尖端的线描述了连续的速度分布。

边界装置61相对于周围流体移动。自由流流速在空间上是均匀的，并且在时间上是恒定的。在图5中，相对于边界装置61的自由流流体流动平行于BAF的x轴并沿着与BAF的x轴相反的方向引导，即从附图的顶部朝向底部。在边界装置61的远端上游，增量流体元的速度近似等于自由流流速。因此，速度分布图67是均匀的，大小和方向均等于自由流流速。

速度分布图68描述了边界装置61附近的速度分布。在该实施例中，在边界装置61的表面上存在无滑移条件。在其它实施例中，沿着外表面62可以有非零滑移速度。由于粘性效应，在BAF的y轴方向上产生的速度梯度引起作用在边界装置61上的剪切应力，该剪切应力又引起粘性牵引阻力。粘性牵引阻力平行于BAF的x轴，并且指向负x方向。

流线66描述了与边界装置61相关联的边界层的近似厚度。由于边界装置61是圆柱形对称的，所以流线66也可以称为流管66。

速度分布图69描述了边界装置61的远尾流中的速度分布。速度分布图69中的流管66内速度大小的减小的速度说明了由作用在边界装置61上的粘性牵引阻力引起的远尾流中的动量亏损。

根据一些实施例，围绕边界装置的流场由流体流动操纵装置以如下方式来改变：针对至少一种操作条件，组合装置上的粘性阻力低于基线边界装置。

基线边界装置不需要具有与组合装置中的边界装置相同的形状。基线边界装置是现有技术中使用的传统装置，诸如图5所示的边界装置61。例如，基线边界装置可以具有传统管状飞行器机身的形状。

滑移速度是流体在边界装置表面处并相对于边界装置表面的速度。在粘性流体中，与对于流体无粘性的理论情况计算的滑移速度相比，滑移速度在量值上通常更小。这两个速度之间的差值称为“速度亏损”。由于粘性效应，边界装置表面处的速度亏损在垂直于局部自由流流速的方向上传播通过流体。结果，不可忽略的流体体积受到速度亏损的影响。受这种速度亏损影响的流体流动区域称为边界层。该区域的厚度称为边界层厚度。如果其它条件相同，边界层厚度可以定义为区域，在该区域内，速度亏损大于对于流体无粘性的理论情况计算的速度大小的1％。速度亏损转化为动量亏损，动量亏损引起作用在边界装置上的粘性剪切应力和粘性阻力。

根据一些实施例，与数学上消除了流体流动操纵装置对流体流动的影响的情况相比，对于组合装置的润湿面积的至少一部分，局部自由流流速减小。该流体流动操纵装置以如下方式配置：由于该流体流动操纵装置与基线边界装置相比的附加润湿面积引起的组合装置的功率消耗的增加在量值上小于由于与该基线边界装置相比作用在边界装置上的牵引阻力引起的边界装置消耗的功率的减少。边界装置消耗的功率降低的一部分可以由边界装置的局部自由流流速的降低引起。可替代地或同时地，流体操纵装置可以配置成在边界装置的边界层的至少一部分中有利于层流而不是湍流。所消耗功耗的降低的另一部分可以由边界装置与基线边界装置相比的形状变化引起。流体流动操纵装置可以以如下方式来操纵流动：边界装置的润湿面积可以减小，而不会由于一部分流动的分离而导致压力阻力增加。对于待由边界装置包围的给定体积，具有最小润湿面积的边界装置的形状是球体。然而，由于球体下游的失速流动，球体会引起较大的压力阻力。即使没有失速，球体也会由于润湿面积上较大的均方局部自由流流速以及边界层效应而引起较大的粘性阻力。除了诸如易于制造等其它原因之外，由于这些原因，大多数机身具有类似于管或泪珠的细长形状。流体操纵装置可以改变流动，使得边界装置的润湿面积可以减小，同时与基线边界装置相比也减小了均方局部自由流流速。

流场改变可以采取几种形式，并且每种形式的改变均可以通过流体操纵装置的几个不同实施例来执行。

图7描绘了一种IFMA配置，该IFMA配置包括相对于周围流体移动的边界装置95。边界装置95具有前缘点98和后缘点99。前缘点和后缘点也可以是边缘，诸如机翼或翼型的前缘或后缘。在机翼的情况下，前缘和后缘可以视为特定流动条件下的前停滞线和后停滞线。在该实施例中，边界装置是可以描述为薄壳的刚性体，具有封闭的外表面96和内表面97。在该实施例中，边界装置95的形状是旋转形状，即它关于穿过前缘点98和后缘点99的轴线轴对称。

边界装置95可以是船舶的船体或飞行器的机身。在其它实施例中，边界装置95可以具有不同的几何形状。例如，边界装置的形状可以与图5所示的边界装置61的形状相似。对于任何给定的应用，都可以找到合适的几何形状。可以使用各种现有方法和材料来制造边界装置。

可以如下定义“边界装置框架”或“BAF”。原点位于由边界装置95的外表面96包围的体积的几何质心处。x轴与连接前缘点98和后缘点99的直线重合，并且指向前缘点98。除非指定，z轴垂直指向附图的页面。

示出了三个速度分布图101-103。速度分布图中的每个箭头指示增量流体元相对于边界装置的速度矢量，其中增量流体元在相对于边界装置测量速度的时间点处位于箭头的基部。连接速度分布图中箭头尖端的线描述了连续的速度分布。

边界装置95相对于周围流体移动。在图示的简化情况下，自由流流速在空间上是均匀的并且在时间上是恒定的。在图7中，相对于边界装置95的自由流流体流动平行于BAF的x轴并沿着与BAF的x轴相反的方向引导，即从附图的顶部朝向底部。在边界装置95的远端上游，增量流体元的速度近似等于自由流流速。因此，速度分布图101中的速度在空间上是均匀的并且在时间上是恒定的，大小和方向均等于相对于边界装置的自由流流速。

速度分布图102描述了边界装置95附近的速度分布。在该实施例中，在边界装置95的外表面96上存在无滑移条件。在其它实施例中，沿着外表面96可以有非零滑移速度。

流线100描述了流管的边界，当沿着x方向观察时，该流管具有圆形横截面。图7中的虚线示意性地表示自由流流动与流经上游IMSA 104的旋翼桨盘的流动之间的近似边界100。位于边界上的线可以描述为流线，并且由边界包围的体积可以描述为流管。应当注意，图7所示的边界仅是特定操作条件的实例。对于所描绘的IMSA的其它操作条件或操作模式，边界的形状可以是大不相同的。

速度分布图103描述了边界装置95的远尾流中的速度分布。在简化的理想情况下，速度分布图103基本上等于速度分布图101，如图7所示。在其它实施例中，情况不必如此。

根据一些实施例，边界装置(诸如边界装置95)设置有意向性流体操纵装置。在图7所示的IFMA配置中，该意向性流体操纵装置可以描述为IMSA组件，该IMSA组件包含上游IMSA 104和下游IMSA110，上游IMSA104可以分类为螺旋桨，下游IMSA110在这种情况下也可以描述为螺旋桨。在这种情况下，下游IMSA 110设置在上游IMSA 104的流管100中。在其它实施例中，情况不必如此。例如，在其它实施例中，下游IMSA 110可以延伸到上游IMSA 104的流管100之外。此类配置在下游IMSA 110也用于对IMSA组件的净推力做出积极贡献的情况下是有用的。

螺旋桨(诸如螺旋桨104或上游IMSA 104)的剖面图示出了第一螺旋桨叶片105和第二螺旋桨叶片106。第一螺旋桨叶片105的前缘109和第二螺旋桨叶片106的后缘108也是可见的。在含有螺旋桨的所有附图中，示出了相似的配置。螺旋桨叶片在结构上由旋翼毂107支撑。

下游IMSA 110以与上游IMSA 104相似的方式配置，因此将不再详细描述。上游IMSA 104和下游IMSA 110经由连接装置刚性地连接到边界装置95。为了清楚起见，在图7中未示出该装置。

在其它实施例中，IMSA 104或110的类型可以是不同于所描绘的开放式旋翼类型。例如，IMSA可以包括若干开放式旋翼，或者可以包含至少一个导管风扇或一对反向转动的同轴螺旋桨。IMSA也可以是回旋陀螺仪或不同类型的IMSA。

根据一些实施例，在边界装置附近的流场通过流体操纵装置以如下方式来意向性改变：在垂直于边界装置表面的方向上，流速的平均空间梯度人为地且意向性地减小。剪切应力与牛顿流体的流速梯度成比例。因此，与现有技术的实施例相比，作用在边界装置上的粘性剪切应力更低。在一些实施例中，与现有技术的代表性边界装置相比，边界装置消耗的粘性功率降低大于意向性流体操纵装置的粘性功率消耗增加。因此，对于一定范围的操作条件，通过一些实施例可以实现粘性功耗的净降低。意向性流体操纵装置以及边界装置的最佳配置取决于应用和约束条件，并且可以使用多种方法来发现。例如，许多此类方法在计算流体力学中是公知的。

在图7所示的实施例中，上述流体操纵装置由上游IMSA104和下游IMSA 110组成。该流体操作装置表示为“IMSA组件”。IMSA组件通过人为且意向性地改变边界装置95表面附近的流动速度的空间分布来减小在边界装置95表面处和在垂直于边界装置95表面的方向上的流动速度的平均空间梯度。

在一些实施例中，该改变包含在完全滑移情况下减小边界装置95的外表面96处的流动速度大小。“完全滑移情况”是特定表面不存在边界层效应或无滑移条件的理论情况。在该理论情况下，对于特定表面，已经从数学上去除了外表面96对流体流动的边界层效应或粘性阻力效应。上述的速度降低是相对于局部自由流流体流动(即在没有IMSA组件的情况下围绕边界装置95的流动)发生的，在这种情况下，也是针对完全滑移情况计算的。假设IMSA组件对流体流动没有影响的情况称为“参考情况”。应当注意，参考情况的性质由与之比较的情况来决定。例如，应当从上下文中明确，特定参考情况是否应当考虑具有完全滑移或无滑移条件。速度降低是上游IMSA 104和下游IMSA 110在边界装置95表面处的组合诱导速度指向BAF的正x方向的结果。与参考情况相比，在完全滑移情况下边界装置95的外表面96处的流速大小的这种减小可以减小外表面96处的雷诺数。在无滑移情况下，雷诺数的减小可以增加边界层的厚度并且减小在外表面96处垂直于外表面96的方向上的流速的平均空间梯度。因此，可以减小外表面96的平均粘性剪切应力和粘性阻力损失。

在一些实施例中，在外表面96处的速度尽管在量值上减小了，但是在外表面96处的完全滑移情况下仍然可以在负x方向上具有非零分量。换言之，与上述具有完全滑移条件的参考情况相比，在完全滑移情况下外表面96处的流体元的速度的总体方向可以基本上不变。

在所描绘的实例中，在边界装置95的外表面96处的流体流动的大小已经人为地减小到在完全滑移情况下基本为零的程度。当在完全滑移情况下给定表面处的流体流速的大小为零时，如果其它条件相同，无滑移情况将等于完全滑移情况。在这种情况下，外表面96上的粘性阻力将为零。在此类理想化的简化情况下，流管100可以视为边界装置95的人工边界层。应当注意，当还考虑IMSA组件的粘性阻力效应时，此类配置可能不是最佳的，即最小化总粘性阻力。

如速度分布图102所示，在所示位置处，在垂直于外表面96的方向上的流体流速大小的梯度也基本为零。对于一些实施例，该梯度可以在平均值上大于零，其中平均值是在整个外表面96上计算的。然而，与具有无滑移条件的参考情况相比，该平均梯度可以更小。

在其它实施例中，在边界装置95附近的流管100内的流体流动可以有不同的空间变化或空间分布。例如，可以存在流动的再循环。换言之，对于全部或部分外表面96，邻近边界装置95的外表面96的流体流速在完全滑移情况下在正x方向上可以具有非零分量。在这种情况下，滞留的涡流环(即循环流的环)将包围边界装置95的全部或一部分。由于对称性，该涡流环将具有与BAF的x方向对准并重合的中心轴，并且将位于平行于BAF的yz平面的平面内。此类涡流环将由MSA组件保持在适当位置，并且由周围的流动重新激励。

在一些实施例中，在边界装置95附近的流管100内的流速的空间分布也经过有意改变。在图7所示的实施例中，诱导速度的空间分布配置为产生流管100内流体流速大小的基本线性变化。如图所示，流管100内的流体流速大小在正y方向上基本上线性增加。在其它实施例中，流管100内的流速大小在正y方向上以递增速率增加。此类配置可以有助于人为地保持外表面96的边界层的低雷诺数，即使边界层厚度在流向方向(即BAF的负x方向)上增长。速度大小的逐渐梯度还可以最小化流管100内的摩擦加热和湍流效应，从而减少阻力损失或减少与边界装置95相关联的净功耗。在将流管100视为边界装置95的人工边界层的模拟中，速度大小的逐渐梯度可能是期望的，以确保人工边界层基本上是层流并保持层流。此外，流管100内的速度大小的逐渐增加将确保存在从周围流动至流管100的最小动量传递，这将导致远尾流中(即在速度分布图103中)流管100周围的流动中的动量亏损，并且有助于与边界装置95相关联的粘性功耗。

可以使用现有方法找到流管100内流体流速大小的最佳空间变化，并且不必是线性的。例如，除了其它标准之外，可能希望降低上游IMSA 104释放到流体中的总涡度的速率。

在完全滑移情况下外表面96处的流体流动的最佳大小与方向、以及外表面96处的流速梯度的大小和标志可以使用现有方法针对给定流动条件或给定应用来优化。也可以使用相同的方法来优化流管100内流体流速的最佳分布。此类优化的目的可以是最小化边界装置和IMSA组件的总功耗。

在边界装置95附近的上述速度分布通过速度分布图102提供的快照来举例说明。该速度分布与针对完全滑移或无滑移条件的参考情况下的速度分布大不相同。根据一些实施例，这种差异通过意向性流体操纵装置来提供。在图7所示的实施例中，该流体操纵装置由IMSA组件实现。IMSA组件通过对流体施加特定的空间诱导流动分布来操纵流体。该诱导流动可以视为在完全滑移条件下叠加在参考情况下的流体流动上。换言之，可以通过计算为了将流动从参考情况改变为期望流速分布所需的诱导流动分布并且以实现期望诱导流动分布的方式配置IMSA组件，来生成期望流速分布。与外表面96相关联的粘性阻力的程度(即边界层和无滑移条件的影响程度)是由这种叠加流动(即诱导流动和参考情况下的流动的叠加)来决定或限定的。这种粘性效应又可以视为叠加在上述叠加流动上。如下面的段落中描述的，有几种方式可以描述IMSA组件的上述诱导速度分布的产生或生成。

在边界装置95附近的诱导速度分布可以视为是由流体元因为与上游IMSA 104的相互作用而受到的动量变化率产生的。在一些实施例中，一些流体元在与上游IMSA 104的相互作用过程中受到负的平均动量变化率。在所述流体元已经与上游IMSA 104相互作用之后，该动量变化率可以导致边界装置95的外表面96附近的流体元的动量的净减小。这种减小相对于完全滑移条件的参考情况发生，即相对于IMSA组件不会与流体相互作用的情况发生。换言之，在一些实施例中，上游IMSA 104配置为在上述隔离情况下减小上游IMSA 104的远尾流中的至少一部分流体流动的平均动量。

在一些实施例中，远尾流中的流体流动的平均动量的减小至少针对与边界装置95的外表面96相互作用的流线或对于在外表面96附近通过的流线而发生。与隔离情况下的自由流流体流动相比，流体流动的动量的这种减小导致远尾流诱导速度，该远尾流诱导速度在上游方向上具有非零分量，如在隔离情况下自由流流动所限定的。由于边界装置95的外表面96位于上游IMSA 104的下游，在边界装置95的外表面96处或在边界装置95的外表面96附近的流动也受到上游诱导速度。如上所述，在边界装置95的外表面96处或在边界装置95的外表面96附近的上游诱导速度的大小和空间分布可以配置成与完全滑移参考情况相比减小完全滑移情况下的自由流流动的大小，并且因此减小边界装置95的平均阻力或者与边界装置95和流体的相互作用相关联的平均功耗。

在升力线理论的简化框架中，上述诱导速度分布还可以通过由上游IMSA 104的螺旋桨叶片释放到尾流中的自由涡流来产生。这类似于直升飞机旋翼、传统螺旋桨叶片或风力涡轮机叶片的涡流释放。应当注意，在一些实施例中，由下游IMSA110释放的涡流也有助于边界装置95附近(诸如在速度分布图102的位置处)的诱导速度。

上述诱导速度分布还可以通过沿着上游IMSA 104的螺旋桨叶片的适当升力或推力分布来产生。由于上游IMSA104的诱导速度对于上游IMSA104的至少一部分指向上游方向(即BAF的正x方向)，所以上游IMSA 104的操作类似于风力涡轮机的操作。换言之，对应于上游IMSA 104的尾流中的诱导速度分布，上游IMSA 104的叶片的至少一部分(例如第一螺旋桨叶片105)受到的推力在BAF的负x方向上具有非零分量，如推力矢量127所示。

上游IMSA 104的至少一部分配置为从流体中提取有用功率。该功率可以以多种方式来提取。例如，发电机可以刚性地连接到驱动轴，该驱动轴刚性地连接到上游IMSA 104的螺旋桨叶片。在图7所示的实施例中，驱动轴可以平行于上游IMSA 104的螺旋桨叶片的转动轴，并且平行于BAF的x轴。在一些实施例中，当上游IMSA 104配置为传统螺旋桨时，上述驱动轴视为旋翼毂、或常规螺旋桨的螺旋桨轴。由于电动机直接连接到驱动轴，驱动轴直接连接到螺旋桨叶片，所以该配置也可以描述为直接驱动配置。

在一些实施例中，在发电机与驱动轴之间还可以存在传动装置或齿轮系。在一些实施例中，在螺旋桨与传动装置之间还可以存在离合器。在一些实施例中，可以重新配置传动装置。换言之，可以改变齿轮比，或者可以改变齿轮。在一些实施例中，还可以存在附接到驱动轴的机械盘式制动器，其中该制动器配置为能够阻止或防止驱动轴转动。由发电机因为驱动轴的转动而产生的电力可以储存在电能储存装置中。例如，此类电能储存装置可以是电池或电容器。电能储存装置还可以包含机械元件。例如，电能储存装置可以包含电动机或发电机，该电动机或发电机又配置为加速或减速飞轮的转动速率，该飞轮以转动动能的形式机械地储存能量。电动发电机还可以为泵提供动力，该泵配置为压缩和或膨胀罐内的气体，诸如空气。应当注意，电能储存装置中储存的至少一部分能量能够在稍后的时间点提取。有许多此类能量储存装置或机构可用。

电力也可以直接传递到第二致动器，其中，例如，传递可以经由电导体进行。在一些实施例中，第二致动器可以瞬间消耗功率。第二致动器可以是与边界装置95相关联的装置或装置组件的任何致动器。例如，第二致动器可以用于致动下游IMSA 110。因此，由上游IMSA 104从流体中提取的一部分功率可以传递到下游IMSA 110，其中将功率重新插入到流体中。在一些实施例中，第二致动器还可以用于为图7中未示出的独立装置或机构提供动力。

由上游IMSA104提供的电力也可以分解，并且用于驱动第二致动器、第三致动器并增加例如包含在能量储存装置内的能量。在一些实施例中，由上游IMSA 104从流体中提取并施加到刚性连接到上游IMSA 104的螺旋桨叶片的驱动轴的功率机械地传递到下游IMSA110。可以以几种方式来促进这种传递。例如，刚性附接到上游IMSA 104的螺旋桨叶片的驱动轴(该驱动轴表示为“上游驱动轴”)也可以刚性连接到刚性连接到下游IMSA 110的螺旋桨叶片的驱动轴(该驱动轴表示为“下游驱动轴”)。换言之，上游驱动轴可以与下游驱动轴相同。在此类配置中，上游IMSA 104和下游IMSA110的上游旋翼和下游旋翼分别在相同方向上转动。在其它实施例中，上游驱动轴可以经由传动装置、齿轮系或一系列齿轮以及次级或辅助驱动轴将功率传递到下游驱动轴。在一些实施例中，在上游驱动轴与下游驱动轴之间沿着负载路径还可以有离合器。在一些实施例中，可以重新配置上游驱动轴与下游驱动轴之间的机械连接的齿轮比或传动比。换言之，可以改变齿轮比，或者可以改变齿轮。

在一些实施例中，上游IMSA104和下游IMSA110的上游旋翼和下游旋翼分别在相反方向上转动。此类配置可以减少与IMSA组件相关联的任何功率损失。这可能是下游IMSA110消除上游IMSA 104施加在流动上的任何漩涡的结果。

在一些实施例中，上游IMSA 104或下游IMSA 110的螺旋桨叶片相对于流体的迎角可以通过旋翼毂(诸如旋翼毂107)处的桨距控制机构来控制。该桨距控制机构和相关联的桨距自由度或“DOF”可以包含电动机和盘式制动器。作为盘式制动器的替代或与盘式制动器并行，一些实施例还可以包含机械锁，其中该机械锁可以配置为在相对于旋翼毂的给定桨距角下锁定螺旋桨叶片的桨距DOF。桨距控制机构还可以包含液压系统和机械联动装置，诸如在传统直升飞机或螺旋桨的共同桨距机构中发现的液压系统和机械联动装置。上游IMSA 104或下游IMSA110的螺旋桨叶片的桨距控制机构和螺桨距DOF也可以配置为允许螺旋桨叶片顺桨。可以对桨距角以及螺旋桨叶片的转动速率进行控制，从而可以调节IMSA组件对流体的影响。这又将允许针对不同的流动条件(诸如不同的自由流流速)对IMSA组件的性能进行优化。

在图7所示的IFMA配置中，下游IMSA110配置为平衡、消除或抵消上游IMSA104和边界装置95对流体的影响。以这种方式，远尾流中的流体流速分布(如速度分布图103所示)基本上等于自由流流体流速分布(如速度分布图101所示)。在标称巡航期间，下游IMSA110在该过程中消耗的功率通常大于上游IMSA 104提取的功率。

下游IMSA 110配置为对流体施加正的动量变化率，即在负x方向上加速流体。结果，在隔离情况下，IMSA110在IMSA110的远尾流中的诱导速度指向BAF的负x方向。下游IMSA110在远尾流中的诱导速度可以视为抵消上游IMSA104在远尾流中的诱导速度。

在升力线理论的简化框架中，下游IMSA 110的远尾流中的期望诱导速度分布也可以视为是由自由涡流产生的，该自由涡流由下游IMSA110的螺旋桨叶片释放到尾流中。这类似于直升机旋翼、传统螺旋桨叶片的涡流释放。

在隔离情况下，下游IMSA 110的上述诱导速度分布也可以视为是由沿着下游IMSA110的螺旋桨叶片的合适升力或推力分布产生的。由于在隔离情况下的下游IMSA110的诱导速度对于的下游IMSA110的至少一部分指向下游方向(即BAF的负x方向)，所以下游IMSA 110的操作类似于传统固定翼飞行器的传统螺旋桨的操作。换言之，对应于隔离情况下下游IMSA110的尾流中的诱导速度分布，下游IMSA110的叶片的至少一部分受到的推力在BAF的正x方向上具有非零分量，如推力矢量128所示。

应当注意，在一些实施例中，不存在指定的下游IMSA，例如图7中的下游IMSA110。在此类实施例中，由上游IMSA提取的功率可以储存或用于经由替代的流体操纵装置或方法提供推力。应当注意，图7中的上游IMSA 104在BAF的负x方向上施加力。在巡航飞行期间，这个力将至少需要被适当推力抵消，以便维持BAF的恒定巡航速度。该推力可以以多种方式来提供。在图7中，该推力由下游IMSA 110提供。在其它实施例中，该推力可以由不同的推力装置提供。

在一些实施例中，该推力可以通过增加上游IMSA的螺旋桨叶片的半径来提供。在此类实施例中，上游IMSA的螺旋桨叶片的长度大于图7所示的流管100的半径。在这种情况下，上游IMSA 104的螺旋桨叶片可以具有两个不同的部分。第一部分可以是螺旋桨叶片的位于第一内部流管中的部分，该第一内部流管可以具有与图7所示的流管100相似的尺寸和配置并且实现与图7所示的流管100相似的目的。上游IMSA的螺旋桨叶片的第一部分可以配置为实现与图7所示的整个上游IMSA 104相似的目的。此类上游IMSA的螺旋桨叶片的剩余第二部分可以配置为产生上述的所需推力。第二部分的尾流形成外部流管，该外部流管包围或包裹内部流管。上游IMSA的推力产生段的诱导速度在远尾流的整个外部流管中可以是均匀的，以便使诱导功耗最小化。因此，由螺旋桨叶片的第一部分提取的功率经由螺旋桨叶片的第一部分与第二部分之间的刚性结构连接直接机械地传递到螺旋桨叶片的第二部分。内部流管内流体的一部分能量损失用于产生推力并且增加外部流管内流体的能量。应当注意，此类配置将在内部流管内的尾流中产生动量亏损，因为如上所述，在这类实施例中不存在指定的下游IMSA。此类配置将导致远尾流中的不均匀速度分布，因此会比整个远尾流中(即在内部流管和外部流管两者上)的速度分布基本上均匀的配置效率更低。然而，由于回收了归因于粘性阻力的一部分能量损失，此类配置仍然可以提供对现有技术的实施例的改进。

在其它实施例中，通过在上述配置增设下游IMSA来消除内部流管中的上述动量亏损。

在其它实施例中，下游IMSA可以延伸到流管100之外。例如，下游IMSA的螺旋桨叶片的长度可以大于流管100的半径。以这种方式，可以减小产生推力的下游IMSA的诱导功耗。在这种配置中，可以在下游IMSA的内部流管和外部流管上实现均匀的远尾流诱导速度分布，这对于最小化诱导功率是期望的。

在其它实施例中，与图7所示的实施例相比，上游IMSA和下游IMSA都可以包含旋翼尖端延伸部。在一些此类实施例中，上游IMSA和下游IMSA的旋翼直径基本上相同。在其它此类实施例中，情况不必如此。如前所述，旋翼尖端延伸部产生包围内部流管的外部流管。上游IMSA和下游IMSA的旋翼的内部可以以与图7和流管100的上下文中描述的方式相同的方式来配置。旋翼的外部可以配置为在最小化总功耗的同时产生期望量的推力，该总功耗包含型阻和诱导阻力。例如，上游IMSA和下游IMSA的外部(即与外部流管相关联的部分)可以以与反向转动的同轴旋翼相似的方式来配置，上游IMSA和下游IMSA都在BAF的正x方向上产生推力。在另一个实例中，上游IMSA的外部可以配置为产生推力，该推力指向BAF的正x方向，并且该推力的大小大于上游IMSA和下游IMSA的外部所需的期望推力。因此，下游IMSA的外部可以配置为产生指向BAF的负x方向的推力。与上游IMSA和下游IMSA两者的推力矢量指向BAF的正x方向的配置相比，此类配置可以减少与上游IMSA和下游IMSA的外部相关联的诱导功耗。

在一些实施例中，可以有不止一个单个上游螺旋桨(诸如上游IMSA 104)以及不止一个的单个下游螺旋桨(诸如下游IMSA 110)。可以有若干螺旋桨位于边界装置95附近的流管100内。为了维持流管100内的期望速度分布，在流管100内使用若干螺旋桨可能是期望的。例如，考虑具有锥形端部的圆柱形边界装置，诸如传统商业运输机的机身。在这种情况下，沿机身长度设置若干旋翼或螺旋桨是方便且期望的。例如，螺旋桨可以位于沿着BAF的x轴如图6所示定位有导管(诸如第三IMCA 81)的相同位置处。螺旋桨可以以机身直径不变的方式安装在机身上，即机身位于螺旋桨毂内或穿过螺旋桨毂的中心。机身的圆形形状有利于旋翼围绕机身转动。旋翼毂可以形成能够围绕机身转动的刚性环。如图7所示，在这种情况下，转动轴线平行于圆柱形机身的纵向轴线。若干螺旋桨叶片可以附接到旋翼毂，并且执行期望的流体流动操纵。电动机可以给旋翼毂提供动力，并且从旋翼毂相对于机身的转动中提取动力，这取决于旋翼是处于“上游”还是“下游”位置或配置。在此类配置中，至少在理论上，机身可以是无限长的，并且在标称恒定速度巡航期间，流管100内的流场在平均值上保持恒定，其中平均值是在沿机身长度均匀间隔的螺旋桨之间的一个间隔距离上沿着BAF的x轴计算的。

每个旋翼叶片的长度可以是机身直径的一小部分。在无滑移参考情况下，旋翼叶片的长度可以大约是在流动中该特定位置处的边界层的厚度。在一些实施例中，在无滑移参考情况下，旋翼叶片的长度与沿着边界装置(诸如机身)外表面的边界层的最大厚度的比值小于2。在一些实施例中，该比值小于5。在一些实施例中，该比值小于10。在一些实施例中，该比值小于100。

图6示出了另一种IFMA配置的剖视图。图6所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与图7所示的装置具有相似性，因此在图6的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

图6描绘了相对于周围流体移动的边界装置70。边界装置70具有前缘点73和后缘点74。前缘点和后缘点也可以是边缘，诸如机翼或翼型的前缘或后缘。在机翼的情况下，前缘和后缘可以视为特定流动条件下的前停滞线和后停滞线。在该实施例中，边界装置是可以描述为薄壳的刚性体，具有封闭的外表面71和内表面72。在该实施例中，边界装置70的形状是旋转形状，即它关于穿过前缘点73和后缘点74的轴线轴对称。

边界装置70可以是船舶的船体或飞行器的机身。在其它实施例中，边界装置70可以具有不同的几何形状。例如，边界装置的形状可以与图5所示的边界装置61的形状相似。对于任何给定的应用，都可以找到合适的几何形状。可以使用各种现有方法和材料来制造边界装置。

可以如下定义“边界装置框架”或“BAF”。原点位于由边界装置70的外表面71包围的体积的几何质心处。x轴与连接前缘点73和后缘点74的直线重合，并且指向前缘点73。除非指定，z轴垂直指向附图的页面。

示出了三个速度分布图76-78。速度分布图中的每个箭头指示增量流体元相对于边界装置的速度矢量，其中增量流体元在相对于边界装置测量速度的时间点处位于箭头的基部。连接速度分布图中箭头尖端的线描述了连续的速度分布。

边界装置70相对于周围流体移动。在图示的简化情况下，自由流流速在空间上是均匀的并且在时间上是恒定的。在图6中，相对于边界装置70的自由流流体流动平行于BAF的x轴并沿着与BAF的x轴相反的方向引导，即从附图的顶部朝向底部。在边界装置70的远端上游，增量流体元的速度近似等于自由流流速。因此，速度分布图76中的速度在空间上是均匀的并且在时间上是恒定的，大小和方向等于相对于边界装置的自由流流速。

速度分布图77描述了边界装置70附近的速度分布。在该实施例中，在边界装置70的外表面71上存在无滑移条件。在其它实施例中，沿着外表面71可以有非零滑移速度。速度分布图77与图7所示的速度分布图102相似。因此，在图6的上下文中将不再详细描述该速度分布图的特征及其替代实施例。

速度分布图78描述了边界装置70的远尾流中的速度分布。在简化的理想情况下，速度分布图78基本上等于速度分布图76，如图6所示。应当注意，存在由于与IMCA组件相关联的阻力而引起的动量亏损，例如，这可以由压力阻力或粘性阻力引起。在其它实施例中，也可能存在由于与边界装置70相关联的阻力而引起的动量亏损。

根据一些实施例，边界装置(诸如边界装置70)设置有意向性流体操纵装置。在图6所示的实施例中，该意向性流体操纵装置可以描述为IMCA组件，该IMCA组件包含第一IMCA79、第二IMCA 80、第三IMCA 81和第四IMCA 82。在该实施例中示出了四个IMCA，然而可以使用更多或更少的IMCA。

每个IMCA(诸如第一IMCA 79)可以描述为圆形导管。在图6所示的实施例中，每个导管配置为产生在径向向外方向上具有分量的升力。每个圆形导管的中心轴线与BAF的x轴重合并且指向BAF的x轴的方向。粗略地说，导管对流体流动的影响可以视为是由升力线理论中的涡流环产生的。在该简化模型中，每个IMCA的每个涡流环均位于平行于yz平面的平面内。当沿着正x方向观察时，每个涡流环的循环在顺时针方向上围绕每个环。每个IMCA具有前缘(诸如第一IMCA 79的前缘83)和后缘(诸如第三IMCA 81的后缘89)。

流线75描述了流管的边界，当沿着x方向观察时，该流管具有圆形横截面。图6中的虚线流线75示意性地指示了第一IMCA 79的停滞流线的近似位置，即入射到第一IMCA 79的前缘停滞线上的流线。由所有此类流线包围的体积可以描述为流管。

应当注意，图6所示的流管75仅仅是IMCA组件的特定操作条件和特定配置的实例。对于其它操作条件，诸如不同的自由流速度大小，流管75的形状可以不同。例如，流管75可以在第二IMCA80的内部区域内通过，而不是也入射到第二IMCA 80的前缘停滞线上。为了避免流动分离和相关联的压力阻力增加，可能希望IMCA不位于上游IMCA的尾流内，即沿着上游IMCA的停滞流线或在上游IMCA的停滞流线附近。然而，这可以增加与IMCA组件相关联的粘性表皮摩擦阻力损失。

IMCA组件中的每个IMCA均经由连接装置刚性地连接到边界装置70。为了清楚起见，在图6中未示出该装置。

在其它实施方案中，IMCA(诸如IMCA 79)可以包含若干导管。在此类配置中，IMCA可以描述为多元件翼型，而不是图6所示的单元件翼型。例如，IMCA可以包含四元件翼型，每个部分有效地形成单独的导管。此类配置可以增加IMCA的最大升力系数。

IMCA组件对流体流动的影响是在IMCA组件附近产生局部诱导速度分布。通常，IMCA组件内(即在IMCA组件的中心轴附近)的诱导速度在BAF的正x方向上具有非零分量。通过将IMCA(诸如第一IMCA 79和第二IMCA 80)设置在流体流动内的合适位置处，并且通过选择适当的循环强度或适当的每单位圆周升力，可以实现期望的诱导速度分布。

根据一些实施例，IMCA组件以如下方式配置：与完全滑移参考情况相比，减小在完全滑移情形下边界装置70的外表面71处的流速大小。这种减小可以导致在无滑移情况下在外表面71处的较低表皮摩擦阻力。例如，这种减少可以由外表面71处的有效自由流流动的减少、外表面71上层流的建立或维持或者外表面71处的流动的雷诺数减少引起。对于一些操作条件，与边界装置71相关联的阻力的这种减小可以大于IMCA组件的增加阻力。

图8是IFMA配置150的剖视图。IFMA配置150的质心以惯性系中的速度移动，其中该速度在空间和时间上的大小和方向上是恒定的。该速度与X轴对齐，即指向正X方向。

存在上游IMSA 151，该上游IMSA151在该实施例中可以描述为螺旋桨。上游IMSA151的剖视图示出了第一螺旋桨叶片152和第二螺旋桨叶片154。第一螺旋桨叶片152的后缘153和第二螺旋桨叶片154的前缘155也是可见的。螺旋桨叶片在结构上由旋翼毂156支撑。IMSA 151的推力由推力矢量183表示。在工位179处，在该实施例中，通过上游IMSA 151向流体施加正的动量变化率。

存在下游IMSA166，该下游IMSA 166在该实施例中可以描述为螺旋桨。下游IMSA166的剖视图示出了第一螺旋桨叶片167和第二螺旋桨叶片169。第一螺旋桨叶片167的后缘168和第二螺旋桨叶片169的前缘170也是可见的。螺旋桨叶片在结构上由旋翼毂171支撑。IMSA 166的推力由推力矢量184表示。在工位181处，通过下游IMSA 166向流体施加负的动量变化率。在IFMA配置150的下游，流管176内的流动相对于IFMA配置150的方向由箭头185指示。

还示出了中间IMSA 161。在该实施例中，中间IMSA 161可以描述为机翼。为简单起见，机翼161是直翼。例如，机翼可以刚性地附接到机身。为了清楚起见，未示出机身。中间IMSA 161可以以与传统固定翼飞行器的固定翼相似的方式来配置。中间IMSA 161产生指向正Y方向和负X方向的升力。应当注意，为了说明目的，放大了流管176内流动的方向的相关偏转。

中间IMSA 161包含外表面162、后缘165和基体材料164。基体材料164可以包含诸如铝或钢等金属、或者诸如玻璃纤维或碳纤维等复合材料。上游IMSA 151通过具有外表面158的中空连杆157刚性地附接到中间IMSA 161。下游IMSA 166通过具有外表面173的连杆172刚性地附接到中间IMSA 161。

在其它实施例中，连杆157或连杆172可转动地连接到中间IMSA 161或相关联的中间支撑装置。在一些实施例中，连杆157或连杆172分别可转动地连接到毂157或毂171。转动连接允许该配置适应不同的操作条件。在巡航或操纵期间，转动连接可以有助于控制中间IMSA 161和任何相关装置(诸如机身)的桨距角。

在该特定实施例中，上游推力矢量183的大小大于下游推力矢量184的大小。因此，上游IMSA 151和下游IMSA 166产生在正X方向上具有非零分量的净推力。因此，该净推力有助于抵消作用在IFMA配置150上的任何牵引阻力。在其它实施例中，这些推力矢量的大小可以基本上相同。在其它实施例中，上游推力矢量183的大小小于下游推力矢量184的大小。

上游IMSA151配置为将中间IMSA161的局部自由流流速增加到大于中间IMSA 161的自由流流速的值。下游IMSA 166配置为在整个过程中回收由上游IMSA 151传递给流体的过量推力和过量能量的至少一部分。与相同的中间IMSA161在没有上游IMSA 151和下游IMSA 166的情况下产生相同量的升力的基线情况相比，可以减小中间IMSA 161的诱导阻力。

结果，在工位180处的平均流速大小大于在工位178和工位182处的平均流速大小。在工位180处的流管176具有比在工位182或178处的流管更小的流向横截面积。与工位180相比，在工位182处的流管176的流向横截面积的增加可以视为增加中间IMSA161的纵横比或跨度。

图9是图8所示IFMA配置150的前视图。当在负X方向观察时，上游IMSA 151和下游IMSA166可以在逆时针方向上转动。可替代地，上游IMSA和下游IMSA可以在相反方向上转动。

在其它实施例中，上游IMSA或下游IMSA可以包含若干单独螺旋桨。这些螺旋桨可以在流向方向上彼此偏离。例如，上游IMSA或下游IMSA可以包含反向转动的同轴螺旋桨。在一些实施例中，上游IMSA或下游IMSA可以包含沿着流管的宽度分布的若干螺旋桨。换言之，螺旋桨也可以在横向于流向方向的方向上彼此偏离。

用虚线186示出了上游IMSA 151的螺旋桨叶片的尖端所遵循的路径。在图9中用虚线187示出了下游IMSA 166的螺旋桨叶片的尖端所遵循的路径。

图10、图11、图12和图13分别示出了包括中间IMSA 201的IFMA配置200的透视图、侧视图、俯视图和后视图。为简单起见，中间IMSA 201可以配置为直翼，该直翼具有椭圆翼展弦分布、恒定翼型形状和零扭曲。例如，机翼可以刚性地附接到机身。为了清楚起见，未示出机身。中间IMSA 201可以以与中间IMSA 161相似的方式来配置，反之亦然。中间IMSA 201可以以与飞行器或船舶的机翼或水平舵的方式来配置。中间IMSA 201包含外表面202和后缘205。

IMCA206配置为增加中间IMSA 201的局部自由流流动。换言之，与上游工位223或下游工位224处的流速大小相比，工位224处的流速大小通过IMCA 206人为地增大。IMCA206可以视为导管。

IMCA 206刚性附接到IMSA 201。IMCA206包含外表面207和后缘210。在该实施例中，当在流向方向上观察时，IMCA 206的形状是矩形，如图13所示。在其它实施例中，IMCA206的形状可以是椭圆形或圆形。在其它实施例中，IMCA可以描述镜像的钟形状，其中镜像平面与机翼的翼展重合。

IMCA 206可以配置为在升力线理论的框架中不释放任何涡度。换言之，与IMCA206相关联的循环沿着IMCA206的翼展长度是恒定的。在其它实施例中，IMCA 206还可以释放涡流。例如，IMCA206可以配置为有助于IFMA配置200的净升力。在此类实施例中，IMCA 206可以视为传统的闭式机翼或环形机翼，恒定的翼展循环添加到IMCA的释放到IMCA的远尾流中的边界涡度。换言之，IMCA可以视为IMCA和IMSA的叠加。在一些实施例中，中间IMSA 201也可以描述为闭式机翼。

IMCA 206沿着IMCA 206的跨度的变化扭转角是IMSA 201对流场的影响以及对IMCA 206的边界涡度或循环的要求的结果。

在一些实施例中，IFMA配置200可以包括以与IMCA 206相似的方式配置的若干独立闭式机翼。这些独立IMCA可以以与多元件翼型相似的方式在流向方向上偏离。各个独立IMCA也可以在垂直于局部流向方向的方向上偏离。IMCA也可以视为位于另一个IMCA内。例如，第一圆形IMCA可以视为与第二圆形IMCA同心布置。

流线222图示了由于通过IMCA 206加速了流动，在工位224处由IMCA 206包围的流管的横截面积减小。该流管的横截面积在工位225处较大，这对应于IMSA201的较大有效跨度。

图14是IFMA配置240的剖视图，IFMA配置240以与图10所示IFMA200相似的方式来配置。在该实施例中，导管241将涡流释放到尾流中。因此，导管241也称为IMSA 241。IMSA241可以视为IMCA和IMSA的叠加。IMSA 241配置为增大中间IMSA 247的局部自由流速度。

在该实施例中，IMSA 241基本上是轴向对称的。IMSA 241包含外表面242、内表面243、基体材料246和后缘244。基体材料246可以以与基体材料164相似的方式来配置。中间IMSA 247以与中间IMSA 201相似的方式来配置。中间IMSA 247包含外表面248和后缘250。

流管254包围所有流线，这些流线围绕IMSA 241，即穿过IMSA241内部。上游工位255处的流管的横截面积大于工位256处的横截面积，而工位256处的横截面积又小于下游工位257处的横截面积。

图15是另一种IFMA配置270的透视图。图15所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图7)中示出的装置具有相似性，因此在图15的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置270描绘为固定翼飞行器，诸如商业运输机或喷气式客机，诸如波音737(Boeing 737)或空中客车A320(Airbus A320)。有机身293、左翼300和右翼299、包含方向舵的垂直尾翼301、以及全飞行左水平稳定器304和全飞行右水平稳定器。在标称水平巡航期间，IFMA 270的飞行方向基本上在推力矢量292的方向上。在标称水平巡航期间，实施例270周围的空气相对于实施例270的自由流流动方向用箭头305指示。

存在上游IMSA 271，该上游IMSA 271在该实施例中可以描述为导管风扇。该实施例中，导管配置为使流动在遇到位于风扇内的风扇盘之前减速。对于一些实施例，可以以这种方式来避免或减轻与风扇盘相关联的波阻损失。上游IMSA 271包含导管272和风扇盘。上游IMSA271配置为向IFMA配置270施加力，该力指向与相对于IFMA 270的平均自由流流动相同的方向，如推力矢量281所示。上游IMSA271配置为从周围流体提取能量。IFMA 270配置为将至少一部分能量传递到下游IMSA 282。如上所述，通过将上游IMSA 271的风扇盘连接到下游IMSA 282的风扇盘的机械驱动轴，可以促进传递。上游IMSA 271的风扇盘可以经由例如直接的、刚性的机械连接将功率传输到下游IMSA 282的风扇盘。上游IMSA 271的风扇盘可以经由驱动轴和齿轮系将功率传输到下游IMSA 282的风扇盘。所述驱动轴可以穿过机身293。上游IMSA 271的风扇盘可以经由发电机将功率传输到下游IMSA 282的风扇盘，发电机经由电线或导体将功率传输到电动机，其中电动机将功率传输到下游IMSA 282的风扇盘。上游IMSA 271和下游IMSA282刚性附接到机身293。

在一些实施例中，下游IMSA282可以描述为涡轮风扇发动机。在功率从上游IMSA271传递到下游IMSA 282的情况下，下游IMSA 282可以描述为混合电动涡轮风扇发动机。在其它实施例中，下游IMSA 282可以描述为涡轮喷气发动机。下游IMS282包含导管283。下游IMSA 28配置为对实施例270施加力，该力指向与相对于IFMA配置270的平均自由流流动相反的方向，如推力矢量292所示。在该实施例中，下游IMSA 282的推力大小大于上游IMSA271的推力大小。因此，下游IMSA 282配置为满足IFMA配置270的任何未解决的推力要求。在其它实施例中，至少一个单独的推进单元或发动机可以附接到至少一个机翼。例如，此类单独发动机可以是传统的涡轮风扇或混合电动涡轮风扇。

上游IMSA 271可以配置为人为减小至少机身293的局部自由流流动，并且下游IMSA 282配置为抵消机身293的尾流中和机身293附近的流速的至少一部分减小。

在一些实施例中，上游IMSA 271可以视为产生机身293的人工边界层，其中边界层大致由穿过导管272内部的流管包围。应当注意，机身293和人工边界层也可以视为由自然边界层包围。上游IMSA 271配置为以如下方式来改变该人工边界层内或机身293的润湿表面附近的速度分布：与不存在上游IMSA 271的基线情况相比，即与机身仅由自然边界层包围的情况相比，减小机身293和IFMA配置270整体上的阻力。例如，阻力的减小可以包含粘性阻力的减小、和/或波阻或压缩性阻力的减小。阻力减小与通过上游IMSA 271和较小程度上的下游IMSA282改变相对于机身293的流体流速的空间分布相关联。

通过上游IMSA 271减小机身293的局部自由流流体流速的大小、减小机身293的润湿表面处和相对于润湿表面的流体流速、以及在机身293的润湿表面附近产生更有利的速度分布可以有助于所述粘性阻力的减小。例如，更有利的速度分布可以包含减小的峰值空间流体流速梯度或者在IFMA配置270附近的空间流体流速梯度的减小空间平均幅度。

波阻的减小可以是当流体围绕IFMA配置270流动时流体流动方向的更平缓变化，或IFMA配置270对流体的更平缓位移的结果。这通过上游IMSA 271对流体流动的减速和IMSA 282对流体流动的加速来促进。因此，可以减小IFMA配置270对流体流动的干扰强度，这可以减小与IMFA配置270相关联的波阻。

阻力的减小可以与基线情况相比降低IFMA配置270的功耗，或者对于给定功耗，允许IFMA配置270相对于流体更快地移动。这可以增加IFMA配置270的范围或最高速度。

图16是另一种IFMA配置315的斜俯视图。图16所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图3)中示出的装置具有相似性，因此在图16的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置315可以描述为四旋翼直升机或四翼飞机。实施例315也可以描述为八旋翼或多旋翼。IFMA配置315包含四个IMSA组件，诸如IMSA组件316、339、362和385。每个IMSA组件包含上游IMSA(诸如IMSA组件362的上游IMSA 365)和下游IMSA(诸如IMSA组件362的下游IMSA 375)。

每个上游或下游IMSA可以描述为螺旋桨。每个螺旋桨可以包括第一螺旋桨叶片(诸如下游IMSA 375的第一螺旋桨叶片377)和第二螺旋桨叶片(诸如下游IMSA 375的第二螺旋桨叶片378)。在其它实施例中，螺旋桨可以包括至少一个叶片或仅一个叶片。在其它实施例中，螺旋桨可以包括至少3个叶片。螺旋桨毂(诸如螺旋桨毂379或369)将每个螺旋桨连接到驱动轴或致动器。

IFMA配置315显示为悬停。由IMSA组件诱导的流动指向垂直向下方向，即基本上与推力矢量380对齐。

上游IMSA(诸如上游IMSA 365)配置为产生作用在IFMA配置315上的推力，该推力指向向上方向，如推力矢量370或347所示。下游IMSA(诸如下游IMSA 375)配置为产生作用在实施例315上的推力，该推力指向向下方向，如推力矢量380或357所示。

与IMSA组件包含仅一个IMSA(即只有上游IMSA)的情况相比，上游IMSA配置为相对于自身增加局部自由流流速。相应的下游IMSA配置为抵消上游IMSA的尾流中的流体流动中的任何过量动量。应当注意，在标称悬停期间，由所有四个IMSA组件产生的净推力的总和基本上等于IFMA配置315的重量。在标称悬停期间，由任何一个IMSA组件产生的净推力基本上等于由四个IMSA组件中的任何其它组件产生的净推力。下游IMSA配置为在流体流动相对于实施例315通过上游IMSA的方向上产生作用在实施例315上的推力，如推力矢量380或357所示。在标称悬停期间，下游IMSA的推力矢量的大小小于相应上游IMSA的推力矢量的大小。

IFMA配置315中的每个IMSA组件还包含机舱，诸如机舱340，该机舱容纳有助于将能量从下游IMSA传递到上游IMSA的致动器、发电机、齿轮箱或驱动轴。应当注意，第一IMSA组件的下游IMSA也可以向第二IMSA组件的上游IMSA传输功率。

在图16所示的配置中，IMSA组件的诱导功耗低于等效基线或参考配置的诱导功耗，其中下游IMSA对流体的影响可以忽略，即上游IMSA的推力基本上等于净推力要求。在基线配置中，IMSA组件可以视为仅包含上游IMSA。应当注意，如上所述，在一些实施例中，IMSA(诸如上游IMSA)可以包含若干螺旋桨或推力装置。在这种情况下，基线配置与传统的四旋翼直升机相同。

每个IMSA组件经由梁刚性地连接到机身408。每根梁均封装在空气动力学或流体动力学整流罩中，诸如梁整流罩341。在一些实施例中，梁整流罩可转动地连接到梁，即能够相对于机身408和相应机舱转动。在一些实施例中，至少一个梁整流罩可以用于在标称水平巡航期间产生升力，其中升力以与传统固定翼飞行器的升力相似的方式来产生，其中机身长轴定向在基本水平的方向上，即惯性系中的运动方向，并且至少一个IMSA组件配置为产生用于抵消作用在IFMA配置315上的阻力的净推力。应当注意，在一些实施例中，可以改变一些IMSA的螺旋桨的桨距角。应当注意，在巡航期间，可以对一些IMSA组件的螺旋桨进行顺桨。

在一些实施例中，上游IMSA可以由电动机供电。在一些实施例中，上游IMSA可以由包含永磁体的无刷DC电动机供电。在一些实施例中，IMSA组件可以由AC感应电动机供电。在一些实施例中，上游IMSA的驱动轴刚性地连接到相应的下游IMSA的驱动轴。在一些实施例中，为驱动轴提供动力的致动器刚性地连接到直接驱动配置中的驱动轴。在一些实施例中，致动器经由离合器或齿轮系连接到驱动轴。例如，动力可以由电池、内燃机或涡轮轴发动机来提供。为一个或多个IMSA组件提供动力的致动器也可以位于机身408内。例如，功率可以从此类致动器机械地或电性地传输到IMSA组件。

在一些实施方案中，上游或下游IMSA包含若干螺旋桨。例如，上游或下游IMSA可以包含至少两个反向转动的或同向转动的同轴螺旋桨。

应当注意，上游IMSA和相应下游IMSA的螺旋桨不需要同相，并且在标称操作期间不需要以相同的角速度转动。在一些实施例中，对于上游IMSA和下游IMSA之间的给定间隔距离，存在最优相位角，其中最优性可以指车辆运行成本的最小化或车辆耐久性的最大化。

图17是另一种IFMA配置425的斜俯视图。图17所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图3)中示出的装置具有相似性，因此在图17的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置425可以描述为传统直升机。IFMA配置425包含具有窗口449的机身448和尾旋翼组件451。

IFMA配置425显示为处于标称悬停状态，其中诱导流动指向竖直向下方向，如流动方向456所示。

上游IMSA 426配置为产生作用在IFMA配置425上的推力，该推力指向向上方向，如与第一旋翼叶片427相关联的推力矢量434或与第二旋翼叶片430相关联的推力矢量435所示。第一叶片427和第二叶片430经由旋翼毂433连接到驱动轴。驱动轴可以由空气动力学整流罩436包围。

下游IMSA 437配置为产生作用在实施例425上的推力，该推力指向向下方向，如与第一旋翼叶片438相关联的推力矢量445或与第二旋翼叶片441相关联的推力矢量446所示。第一叶片438和第二叶片441经由旋翼毂444连接到驱动轴。驱动轴可以由空气动力学整流罩447包围。在一些实施例中，上游IMSA 426和下游IMSA 437的驱动轴是相同的。在其它实施例中，上游IMSA 426的驱动轴以同轴配置的方式穿过下游IMSA 437的驱动轴的中心。在其它实施例中，机身448位于上游IMSA 426与下游IMSA 437之间。

IFMA配置425的主旋翼系统可以描述为包含上游IMSA 426和下游IMSA 437的IMSA组件。在图17所示的悬停配置中，IMSA组件的诱导功耗低于等效基线或参考配置的诱导功耗，其中下游IMSA对流体的影响可以忽略，即上游IMSA的推力基本上等于净推力要求。在基线配置中，IMSA组件可以视为仅包含上游IMSA。在这种情况下，基线配置与传统直升机相同。

在标称水平巡航的操作条件范围内，下游IMSA 437的至少一部分不再位于上游IMSA426的尾流中。当该部分足够大时，下游IMSA437可以顺桨。在一些实施例中，下游IMSA437的顺桨可以包含将旋翼叶片的角速度减小到零。在一些实施例中，将下游IMSA 437的旋翼叶片折叠。例如，旋翼叶片可以折叠成用于标称水平巡航的空气动力学整流罩。在其它实施例中，在标称水平巡航期间，下游IMSA 437可以配置为产生推力或升力，该推力或升力沿着上游IMSA426的升力矢量的推力具有正分量。在这点上，下游IMSA 437和上游IMSA 426可以以与现有技术中同轴直升飞机的旋翼相似的方式来操作或配置。

应当注意，一些实施例的原理也可以应用于倾转旋翼机。例如，倾转旋翼机的单个旋翼可以用由支撑轴分开的两个旋翼代替，类似于两个旋翼，即上游IMSA 426和下游IMSA437，如图17所示。以这种方式，一些实施例的优点可以用于巡航飞行和悬停飞行。

图18是另一种IFMA配置470的斜侧视图。图18所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图3)中示出的装置具有相似性，因此在图18的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置470可以描述为风力涡轮机。风向由箭头501指示。IFMA配置470包括可转动地连接到水平机舱495的垂直支架496，其中转动轴平行于垂直轴。上游IMSA471和下游IMSA 483可转动地连接到机舱495，其中转动轴是同轴的并且平行于水平轴。

上游IMSA 471在该实施例中可以描述为螺旋桨，并且包含第一叶片472、第二叶片478和第三叶片475。每个叶片可转动地连接到旋翼毂481，其中转动轴基本上平行于叶片的长轴。每个旋翼叶片的桨距角可以根据风力条件来调节，以便优化风力涡轮机的性能，其中性能可以指例如从风中提取的功率。上游IMSA 471配置为在下游IMSA 483的位置处使流体流动加速，即增加流体相对于惯性系的速度大小。上游IMSA 471在实施例470上施加指向上游方向的推力，如推力矢量482所示。

下游IMSA 483在该实施例中可以描述为螺旋桨，并且包含第一叶片484、第二叶片490和第三叶片475。每个叶片可转动地连接到旋翼毂493，其中转动轴基本上平行于叶片的长轴。可以调节每个旋翼叶片的桨距角。下游IMSA 483配置为在下游IMSA 483的下游使流体流动减速，即减小流体相对于惯性系的速度大小。下游IMSA 483在IFMA配置470上施加指向下游方向的推力，如推力矢量494所示。由下游IMSA 483从流体中提取的一部分功率传递到上游IMSA471，并且一部分所传递的功率由上游IMSA 471施加到流体。如上所述，例如，该功率可以机械或电性传递。

IFMA配置470的旋翼系统可以描述为包含上游IMSA 471和下游IMSA 483的IMSA组件。在图18所示的配置中，由IMSA组件从周围流体(例如，风或水流)的运动中提取的功率大于由等效基线或参考配置提取的功率，其中上游IMSA对流体的影响可以忽略，即基线配置中下游IMSA的推力基本上等于图18所示的IFMA配置470的净推力。在基线配置中，IMSA组件可可以视为仅包含下游IMSA。对于所描绘的构型，基线配置与传统风力涡轮机相同。在低风速或低流速下，性能的改善尤为显著。

图19是另一种IFMA配置515的侧视图。图19所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图7)中示出的装置具有相似性，因此在图19的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置515也可以描述为船舶，该船舶具有船体536、水面548上方的上部结构539和水面下方的方向舵542。

上游IMSA 516可以描述为至少具有第一螺旋桨叶片517和第二螺旋桨叶片520的螺旋桨。每个螺旋桨叶片可转动地连接到毂523，其中转动轴平行于叶片的长轴。每个螺旋桨叶片的桨距可以根据船舶的操作条件进行调节。上游IMSA 516由整流罩525支撑，在一些实施例中，整流罩525包围刚性连接到毂523的驱动轴。在一些实施例中，毂523以直接驱动配置的方式连接到发电机。上游IMSA 516配置为使流动减速并且减小船体536的局部自由流流动。因此，上游IMSA 516对IFMA配置515施加推力，该推力指向流体流动相对于船体536的方向，如推力矢量524所示。

下游IMSA526可以描述为至少具有第一螺旋桨叶片533和第二螺旋桨叶片530的螺旋桨。每个螺旋桨叶片可转动地连接到毂，其中转动轴平行于叶片的长轴。每个螺旋桨叶片的桨距可以根据船舶的操作条件进行调节。下游IMSA 526由整流罩535支撑，在一些实施例中，整流罩535包围刚性连接到所述毂的驱动轴。在一些实施例中，毂以直接驱动配置的方式连接到电动机。下游IMSA 526配置为使流动加速。因此，下游IMSA526对IFMA配置515施加推力，该推力指向流体流动相对于船体536的相反方向，如推力矢量534所示。

上游IMSA 516可以减小IFMA配置515的阻力。阻力减小可以包含船体536的粘性阻力的减小和/或船体536的重力波阻的减小。阻力减小与通过上游IMSA 516改变流体流速相对于船体536的空间分布相关联。通过上游IMSA 516减小船体536的局部自由流流体流速的大小、减小船体536的润湿表面处和相对于润湿表面的流体流速、以及在船体536的润湿表面附近产生更有利的速度分布可以有助于所述粘性阻力的减小。例如，更有利的速度分布可以包含减小的峰值空间流体流速梯度或者在IFMA配置515附近的空间流体流速梯度的减小空间平均幅度。波阻的减小可以是当流体围绕IFMA配置515流动时流体流动方向的更平缓变化的结果，或由于上游IMSA 516对流体流动的减速和IMSA526对流体流动的加速导致的IFMA配置515对流体的更平缓位移的结果。因此，可以减小IFMA配置515对流体流动的干扰强度。在一些实施例中，例如，上游IMSA 516可以配置为执行与传统船体设计中发现的球形船首相似的功能。

图20是另一种IFMA配置560的侧视图。图20所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图7)中示出的装置具有相似性，因此在图20的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置560也可以描述为火车或卡车，并且包含第一车厢561、第二车厢576、第三车厢577、第四车厢589和第五车厢591。每个车厢由车轮(诸如车轮563)支撑，车轮563便于车厢相对于道路或轨道605的运动。每个车厢通过连接件(诸如连接件566)连接到相邻车厢。车厢通过支撑结构(诸如支撑结构578)可转动地连接到车轮。

上游IMSA 567可以描述为至少具有第一螺旋桨叶片568和第二螺旋桨叶片571的螺旋桨。每个螺旋桨叶片可转动地连接到毂574，其中转动平行于叶片的长轴。每个螺旋桨叶片的桨距可以根据车辆的操作条件进行调节。上游IMSA567配置为使流动减速并且减小剩余车辆的局部自由流流动。因此，上游IMSA 567对IFMA配置560施加推力，该推力指向流体流动相对于IFMA配置560的方向，如推力矢量575所示。

下游IMSA 596可以描述为螺旋桨。在IFMA配置560中，第一车厢561可以与第五车厢591相同，以便降低实施例560的制造成本。应当注意，第一车厢561以与第五车厢591不同的方式操作。下游IMSA596配置为使流动加速。因此，下游IMSA 596对IFMA配置560施加推力，该推力指向流体流动相对于实施例560的相反方向，如推力矢量604所示。

由于IFMA配置560的长度，上游IMSA574的减阻效果随着沿着实施例560的长度与上游IMSA574的距离增加而减小。例如，这可能是由于粘性效应。中间IMSA 580配置为与IFMA配置560的外表面附近的理想速度分布相比，校正实际速度分布的任何失真效应。中间IMSA 580至少包含第一螺旋桨叶片581和第二螺旋桨叶片584。每个螺旋桨叶片可转动地连接到毂587，其中转动轴平行于叶片的长轴。每个螺旋桨叶片的桨距可以根据车辆的操作条件进行调节。中间IMSA580配置为使流动减速并且减少剩余车辆的局部自由流流动。因此，中间IMSA 580对IFMA配置560施加推力，该推力指向流体流动相对于实施例560的方向，如推力矢量588所示。

在一些实施例中，作用在中间IMSA 580与下游IMSA596之间的车辆部分上的牵引阻力和作用在中间IMSA 580上的推力或阻力的总和小于在没有中间IMSA的情况下(即在第三车厢以与第二车厢576相似的方式配置的情况下)作用在实施例的第三车厢与最后车厢之间的牵引阻力。对于一些实施例，对于一些操作条件，作用在没有专用中间IMSA(诸如中间IMSA 580)的实施例上的净牵引阻力大于作用在IFMA配置560上的净牵引阻力。应当注意，一些实施例可以包含以与中间IMSA 580相似的方式配置的若干个中间IMSA。应当注意，可以有若干个车厢(诸如车厢576)位于上游IMSA、中间IMSA或下游IMSA之间。在一些实施例中，相邻车厢之间的连接包含空气动力学整流罩，该空气动力学整流罩配置为允许车厢在道路或轨道中的弯道或弯曲期间相对于彼此转动。

上游IMSA 567和中间IMSA 580可以配置为从周围流体中提取能量，而下游IMSA596可以配置为将至少一部分提取的能量施加到IFMA配置560周围的流体。应当注意，与IFMA配置560相似的实施例可以包括单独的牵引电动机，该牵引电动机配置位通过向至少一个车轮传递扭矩来促进实施例的推进。在其它实施例中，实施例的任何未解决的推力要求由下游IMSA 596来提供。

图21是另一种IFMA配置620的侧视图。图21所示的装置的一些特征以及该装置的一些操作原理与其它附图(特别是图7和图20)中示出的装置具有相似性，因此在图21的上下文中将不再详细描述，反之亦然。

IFMA配置620也可以描述为火车或卡车，并且包含第一车厢621、第二车厢632、第三车厢633、第四车厢634、第五车厢646和第六车厢647。每个车厢由车轮(诸如车轮623)支撑，车轮623便于车厢相对于道路或轨道657的运动。每个车厢通过连接件(诸如连接件626)连接到连接到相邻车厢。车厢通过支撑结构可转动地连接到车轮。

上游IMSA 627可以描述为导管风扇，该导管风扇包含围绕螺旋桨的导管628，该螺旋桨至少具有第一螺旋桨叶片和第二螺旋桨叶片。每个螺旋桨叶片可转动地连接到毂，其中转动轴平行于叶片的长轴。每个螺旋桨叶片的桨距可以根据车辆的操作条件进行调节。上游IMSA 627配置为使流动减速并且减少剩余车辆的局部自由流流动。因此，上游IMSA627对实施例620施加推力，该推力指向流体流动相对于实施例620的方向，如推力矢量631所示。

下游IMSA 652可以描述为导管风扇。在IFMA配置620中，第一车厢621与第六车厢647相同，以便降低实施例620的制造成本。应对注意，第一车厢621以与第六车厢647不同的方式操作。下游IMSA 652配置为使流动加速。因此，下游IMSA 652对实施例620施加推力，该推力指向流体流动相对于实施例620的相反方向，如推力矢量656所示。

IFMA配置620可以包括一个中间IMSA，与实施例560相似。在IFMA配置620中，中间IMSA由两个车厢(即第三车厢633和第四车厢634)而不是一个车厢来实现。这两节车厢都与第六车厢647或第一车厢621相同，以便降低实施例620的制造成本。在该实施例中，第三车厢633的导管风扇634是顺桨的。第四车厢634的导管风扇640以与图20中的中间IMSA 580相似的方式来配置。因此，IMSA 640对实施例620施加推力，该推力指向流体流动相对于实施例620的方向，如推力矢量644所示。

上游IMSA可以减小IFMA配置560或620的阻力。阻力减小可以包含车厢的粘性阻力的减小。阻力减小与通过上游IMSA改变相对于IFMA配置560或620和在IFMA配置560或620附近的流体流速的空间分布相关联。该改变可以指减小流体流动的空间速度梯度的平均大小。例如，可以以最小化受限于约束条件(诸如结构或经济限制)的IFMA配置560或620的总功耗的方式对上游IMSA和下游IMSA的配置进行数学优化。

除非上下文中指明或明确的，术语“或”在本文中等同于“和/或”。本文中描述的实施例和方法仅旨在例证和说明本文中所公开的实施例的原理。实施例可以以未示出的若干不同的方式来执行，因此不限于本文中描述或附图中描绘的实例、布置、配置或操作方法。基于本文提供的教导，本领域技术人员现在能够设计未明确示出或描述的许多替代实例、实施例、布置、配置或操作方法。

Claims (10)

1.一种意向性流体操纵装置IFMA组件，所述IFMA组件包括：

边界装置，在所述边界装置和流体之间的界面处具有表面；

上游意向性动量释放装置IMSA；以及

至少一个下游IMSA；

其中，所述边界装置联结到所述上游IMSA和所述下游IMSA；

其中，所述上游IMSA配置成在标称操作条件期间向局部自由流流动施加第一诱导速度，以及

其中，所述下游IMSA布置成使得在所述标称操作条件期间，流经所述上游IMSA和所述下游IMSA两者的所述流体的至少一部分形成第一流管，并且所述下游IMSA配置成向所述第一流管内的所述局部自由流流动施加第二诱导速度，其中，在所述第一流管内，所述下游IMSA的位置处的所述第二诱导速度在与所述下游IMSA的位置处的所述第一诱导速度的方向相反的方向上具有分量，以及

其中，所述上游IMSA能够配置成减小所述边界装置的所述表面的至少一部分附近的空间流体流速梯度，所述空间流体流速梯度在与所述表面的向外法线对准的方向上计算，所述空间流体流速梯度的所述减小相对于其中所述上游IMSA和所述下游IMSA对所述流体流动具有可忽略的影响的基线情况而发生。

2.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述空间流体流速梯度的所述减小有助于相对于所述基线情况减小作用在所述边界装置上的净牵引阻力，所述净牵引阻力是从所述第一流管的远尾流部分和所述第一流管的自由流部分的差计算的。

3.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，在所述标称操作条件下，流经所述上游IMSA和所述下游IMSA两者的所述流体的至少一部分在所述第一流管外部形成第二流管，其中，所述下游IMSA能够配置成在所述第二流管内向所述局部自由流流动施加第三诱导速度，其中，在所述第二流管中的所述下游IMSA的位置处的所述第三诱导速度在与所述第一诱导速度的方向相同的方向上具有分量。

4.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述上游IMSA配置成在所述第一流管内产生第一推力，并且其中，所述下游IMSA配置成至少在所述下游IMSA处的所述第一流管内的一个位置处产生第二推力，所述第二推力具有平行于所述上游IMSA的诱导速度矢量的方向并与所述上游IMSA的所述诱导速度矢量的方向对准的矢量分量。

5.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述标称操作条件包括在时间上恒定的自由流流速。

6.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述标称操作条件包括净推力的产生，其中，所述净推力包括由所述上游IMSA和所述下游IMSA产生的推力。

7.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述上游IMSA的至少一部分能够在所述第一流管的至少一部分内从所述流体流动中提取功率。

8.根据权利要求3所述的IFMA组件，其中，所述上游IMSA的至少一部分能够在所述第二流管的至少一部分内向所述流体流动输送功率。

9.根据权利要求3所述的IFMA组件，其中，所述下游IMSA的至少一部分能够在所述第二流管的至少一部分内从所述流体流动中提取功率。

10.根据权利要求1所述的IFMA组件，其中，所述下游IMSA的至少一部分能够在所述第一流管的至少一部分内向所述流体流动输送功率。