[发明专利]减小流体与表面之间的粘滞力的系统和方法

说明书

技术领域

一般而言，本公开涉及粘性阻力，更具体而言涉及被构造以减小流体表面之间的粘性阻力的超材料(metamaterials)。

背景技术

物体移动通过流体的低效率的主要贡献者是发生在物体边界层的摩擦阻力或者粘性阻力。摩擦阻力或者粘性阻力倾向于阻碍物体通过流体的移动或者流体在物体上的移动。例如，旋转机械诸如在流体中旋转的涡轮遭受物体边界层处的粘性阻力。在另一实例中，交通工具诸如通过空气移动的航空器遭受交通工具/空气界面的边界层处的摩擦阻力或者粘性阻力，所述阻力倾向于阻碍航空器向前运动。

在现有技术中包括的是减小作用于表面的粘性阻力的许多尝试，所述粘性阻力诸如作用于通过空气移动的机翼或者或者通过水移动的水翼上的摩擦阻力。一种减小粘性阻力的方法包括在流体于其上移动的表面中形成多个穿孔或者孔隙，并且对孔隙施加吸力或者吹力(blowing force)。对孔隙施加吸力是基于从表面的边界层除去低能流体以便减小阻力的原理。对孔隙施加吹力采用对边界层增加较高能流体——其延迟边界层从表面的分离——的原理。如应用于机翼或者水翼升力面的，延迟边界层的分离增加升力、延迟相对于移动的流体流的大角度机翼冲击(attack)的失速(stall)，从而改进升力面的效率。

不幸地，在孔隙施加吸力需要有源(active)真空系统。这种有源系统一般地需要增加单独的真空泵或者增加连接现有的真空泵与表面中的孔隙的复杂的一系列管道。如可理解的，有源真空系统的增加通常导致更重的系统，其可导致增加的维护劳动和费用。

增加表面移动通过流体流的效率的另一方法包括在流体动力学升力面上使用槽或者拉条。可操作槽或者拉条以通过对在接近升力面流动的边界层气流增能来延迟流动分离。槽或者拉条不意欲减小阻力，并且由于槽或者拉条导致的升力面的附加表面积可轻微地增加粘性阻力。提供槽或者拉条作为在槽或者拉条的后缘周围形成的边界层旋涡的结果来增能边界层。较高能量的边界层流体流分离改进机翼和水翼升力面的效率，类似于与上述吹力技术相关的效率改进。对光滑的表面，这种旋涡在边界层气流中不停移动并且可撞击升力面或者使升力面偏斜。

表面上槽或者拉条的构造可适应于边界层气流和周围的流体环境并且适合于升力面可能相对于周围流体环境移动的方式。例如，槽或者拉条必须沿大体平行于升力面相对于流体移动的预定方向定位。

如可理解的，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，并且其优选是不需要有源元件的无源系统。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，当改变升力面相对于流体的定向移动时，该方法和系统表现良好。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，该系统和方法结构简单、成本低、并且重量轻。

发明内容

通过超材料具体解决和缓解与减小作用于表面的粘性阻力有关的上述需要，所述超材料可以并入作为通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面的一部分和/或可应用于通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面。优选地，这种超材料在大约10¹⁴和10¹⁶Hz之间的范围内的频率下具有磁导率响应并且该范围可跨越电磁光谱的红外、可见、和紫外波段。超材料以减小表面上流体的粘性阻力的方式在表面和周围的流体流诸如气流或者液体流之间产生排斥力。

相关领域技术人员使用术语“超材料”描述表现天然不可见的性质的材料。当与其他材料——诸如用于包括但不限于机翼和水翼的空气动力学和流体动力学表面的材料接近时，性质上原子和分子一般地经历吸引力。具有相关技术领域的知识的人员通常地在经典理论下称这种力为“范德华”力以及在量子理论下称为“Casimir-Polder-Lifshitz”力。

如在此公开的考虑的超材料和根据在此公开的实施方式的原理使用这种超材料的系统和方法减小、消除和反向这种吸引力，并且实现在表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间的排斥力。如在此公开的超材料具有磁导率，该磁导率在电磁光谱的10¹⁴至10¹⁶Hz频率范围内对反向这种吸引力响应以产生排斥力。