[发明专利]用于控制紊动气流中涡流结构的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种装置和方法，用于控制紊动气流中的涡流结构，并且因此降低紊流产生的噪音。

背景技术

在许多工程领域，紊动气流的噪音是一个常见问题。这在飞机工程中尤其严重，因为导致飞机噪音的原因很多：推进系统(如风扇、喷气发动机等)和沿机体空气动力元件的气流。要大大降低噪音，需要处理不同噪音源(风扇噪音、机体噪音等)的综合方法。本发明的装置旨在通过控制紊动气流中的涡流结构来降低喷气发动机的噪音。

飞机工程的深入发展和新一代客机的出现，导致影响人类的强大噪声源的急剧增加。自20世纪50年代制造的第一架客机以来，发动机的排气一直是主要的噪音源。旁路涡轮喷气发动机的应用帮助改善了飞机的声学性能，但国际组织不断尝试对现有和未来的飞机实施日益严格的要求，这就要求在降低噪音方面做出更大努力。即将到来的第七届欧洲空气声学计划的战略目标是，到2010年制定出飞机声学特性全面改善的基本规定和初步建议，并且到2020年设计出在飞机工业实施的技术方案和有充分根据的建议。要进一步降低噪音(风扇噪音、机体噪音等)，需要处理各种噪音源的均衡方法，然而，喷气发动机的噪音似乎仍是解决这一复杂任务的障碍。此外，喷气发动机的噪音仍是首要的噪音源，并且是超音速飞机进一步发展的主要障碍。因此，目前亟待提出新的思想，除了发展降低飞机发动机噪音问题的传统方法外，还包括基于保证主动的紊流噪音控制的尝试的新思想。

主动的紊流控制尚处于发展的萌芽阶段，要充分发掘其巨大潜力，需要对激励系统(致动器)、控制算法和测量仪器进行改进。所有的致动器，诸如辉光放电激励器、液体注射、Helmholtz谐振器和MEMs，作为有效的气流控制仪器都大有希望。关键是要找到一种方案，既在技术上可行，又具有成本效益。

下面列举一些设计方案，可能有助于形成主动紊流控制的致动器：

-顺电致动器，其中辉光或势垒放电的等离子体被用于产生边界层内的气流速度场。在这些致动器中，电场的梯度导致离子加速，由于粒子碰撞使主介质发挥作用(见1998年Roth，J.R.、Sherman，D.M.和Wilkinson，S.P.的“采用大气均匀辉光放电表面等离子体的边界层气流控制”，AIAA-98-0328)；

-用于气流操控的压电致动器，由周期性电压控制，电压使其震荡。膜片震荡推动空气通过开口(槽或孔)出入，开口将空腔与环境连接(这种气流称为“人造气流”)(见1993年Wiltse，J.M.和Glezer，A.的“采用压电致动器的自由剪切流的操控”，《流体机械》第249期，261-285页)；

-产生涡流的气流或脉动涡流发生器，由通过呈一角度的开口注射的流体脉冲的震荡形成。这些涡流收集分离的气流，并因此改进空气动力装置的工作(见1998年Magill，J.C.和McManus，K.R.的“使用脉冲涡流发生器气流对动态气流分离的控制”，AIAA-98-0675)；

-电晕放电致动器，采用在正、负电晕点附近的带电粒子加速产生的离子风(见Danna A.Lacoste、David Pai和Christophe O.Laux的“大气压下正DC电晕放电中的离子风效应”，2005年，AIAA 2004-354。T.R.Troutt、D.K.Mc Laughlin的“中等雷诺数超音速喷气飞机的气流和声学特性试验”，《流体机械》116期123-156，1982年)。

然而，如果这种研究必须解决噪音控制，而不仅仅是气流控制，那么问题就变得复杂得多。

大的涡流在整个紊流噪音辐射中起显著的作用。因此，本发明的主要目的是运用简单技术控制这些涡流，并开发简单且经济的实施工具。

紊动气流中产生的涡流环具有一个涡流核心，形成为波动系统，带有多个在频率和近场形状和结构上不同的本征震荡。

迄今为止，为抑制紊动气体中的噪音做了很多尝试。但最常见的结果是一种抑制装置，它严重影响了发动机的推进性能。

发明内容

本发明的主要思想是通过产生涡流核心的谐振激励，来影响气流中的涡流环，而不触及气流，因此不会影响气流的推进性能。

这种效果可通过采用能够抑制从排气通道流出的紊动气流中的涡流结构的装置来实现。本发明提出的这种装置包括至少一对与AC电压源连接的针，以在针之间产生脉动电晕放电。一个针与气流对齐，另一个针的方向与气流交叉，以提供对涡流结构的电晕放电的谐振效应。随着被电场加速的带电离子周期性地将气体粒子带入气流，脉动电晕放电形成脉动微气流。

这对针直接位于气流的附近。