[发明专利]用于产生流体动力的元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在暴露于流体流时产生流体动力的元件。一般来说，本发明的教导广泛适用于任何流体动力产生元件，但是在特别优选的示例性且非限制性实施方式中，所述元件可包括气翼或水翼。在本申请的情况下，示例性气翼包括用于固定或旋转翼式飞行器(例如飞机或直升飞机)的机翼、风轮机转子和风扇的叶片以及飞行器螺旋桨叶片；而示例性水翼包括螺旋桨叶片和用于水翼艇的翼片。

背景技术

现在参照图1a，在本发明的情况下流体动力元件为三维主体1，其在截面中包括基本弯曲的第一表面3和第二表面5，它们从主体1的前缘7沿相对方向延伸，在主体的后缘9汇合。第一和第二表面具有不同的弯曲形状，从而当主体以正迎角α浸入流体流U中时，流体在前缘处分开，并以不同的速度在第一和第二表面中的每一个上方流动。第一和第二表面上方的流体速度差异根据贝努利原理引起压力差，该压力差产生力，该力对于飞行器机翼来说是升力，通常归一化为无量纲的升力系数C_L。主体还受到减速力，在飞行器机翼的情况下称为曳力，其可归一化为无量纲的曳力系数C_D。

在飞行器的情况下，在正常飞行中，空气在主体(机翼)的两个表面上方平稳流动，而对于动力飞行，对给定迎角所施加(通常由飞行器发动机施加)的推力必须足以产生超过曳力的升力。当超过临界迎角时，可能出现失速，在这种情况下，气流与机翼的最上表面分离，这造成升力的显著损失和曳力的大幅增加。在本技术领域中该流动分离现象通常称为“边界层流动分离”，该现象广泛适用于在暴露于流体流时能够产生流体动力的所有类型的元件。

边界层流动分离，即流动的流体流从例如航空直升飞机机翼或风轮机转子叶片的表面发散，这可严重限制多数工程系统的操作、耐久性和性能。

边界层分离可由几种机制触发和引发。这既可能是局部流动和/或几何形状的自然结果，也可能由外部干扰和不稳定性人工引发。在以高迎角朝向迎面而来的空气/流体流的空气或流体动力表面上，来自表面曲率的不利(渐增)压力梯度和由于粘度造成的相邻流体层和表面之间的剪切应力相结合可导致空气/流体流与表面分离。对于飞行器机翼和螺旋桨及涡轮转子叶片，流动分离导致气动升力严重降低、曳力快速增加且噪声水平快速增加。

针对抑制或延迟更高迎角发展飞行器机翼和转子叶片上的流动分离技术成为过去50年的主要研究目标。可通过在湍流边界层中的自然混合来延迟由表面曲率和粘度造成的流动分离。湍流体现为相对较快的自混合和传送机制，但是其不能将足够的动量传递到边界层内以在例如以高迎角倾斜的飞行器机翼或转子叶片上存在大的不利压力梯度时保持附着流动。

因此，并为了防止和延迟边界层离开表面，已经提出利用人工流混合增强装置来重新激励边界层。通过重新激励边界层来人工增大边界层内的流体混合速度，可增加动量相对较低的近表面流体的动能，由此延迟更高迎角，或在某些情况下防止出现流动分离。

用于重新激励边界层由此解决流动分离的各种流动控制技术已被认同并且成功测试。例如，之前已提出开缝吹气、切向吹气、合成喷射器和叶片式涡流发生器等技术。这之中，通过人工产生近表面纵向涡流增加流体混合速度的方法被认为是特别有效的技术。这些涡流用于从未扰动的外部流体流带来高能流，并将其传送到边界层深处的低动量近表面区。机械的无源叶片式涡流发生器(由Taylor，D.H.及Hoadley，H.H.首先发明，并于1948年在美国康涅狄格州东哈特福德市在联合航空公司的报告R-15064-5中以“Application of vortex generator mixing principle todiffusers”做了报告)为最普通且广泛使用的流向流体涡流发生器，其通常由固定到表面的薄而突出的实心条构成，通常位于其中可能出现分离流动的区域前部，与迎面而来的流成一角度。

但是，虽然这样的装置阻止流动分离的出现，但是已经表明，机械叶片式涡流发生器还迫使曳力增加，这由装置本身的流动阻塞引起的局部压力增大和装置下游的表面表层摩擦力增大造成。