[发明专利]通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流

说明书

为了在包括垂直于壁的方向的流速分布的壁面湍流化的流中消除湍流，垂直于壁的方向的流速分布被变形。这可以通过靠近约束流的壁在湍流化的流中产生附加的涡流来实现，所述附加的涡流在约束流的壁的在其主流方向上延伸的一区段中分布，并且所述附加的涡流的轴线主要平行于约束流的壁延伸。使得垂直于壁的方向的流速分布变形还通过以下方式实现，通过将偏流结构局部浸没在湍流化的流中来增加靠近约束流的壁的流速或者通过将分流结构局部浸没在湍流化的流中来平衡垂直于壁的方向的流速分布。

技术领域

本发明大体上涉及通过在垂直于壁的方向上使得流速分布变形而消除壁面流中的湍流的方法和设备。

在壁面流(wall-bounded flow)中、即在附着在壁上的流体流中，壁将剪力施加到流体上，并且因此，流的边界层在流由壁影响的约束流的壁上形成。

在这种边界层中，取决于实际的状况，流可以是层流化的或湍流化的，边界层中的阻力(drag)对于湍流的情况而言比对于层流的情况更高。因此，层流化的流经常具有比湍流化的流更大的优势，这是因为层流化的流节能，例如像将流体泵送经过管或通道。特别地，本发明涉及经过管的流。

甚至更加特别地，本发明涉及将雷诺数(Reynolds-number)高于2700(在此，流中的湍流正常不会衰变从而流正常在其整个下游延展过程中仍是湍流化的)的湍流化的流重新层流化。

在此所使用的雷诺数在管中定义为其中是平均流速或平均流体速度，D是管直径，而ν是运动粘度(就经过管的流体而言；否则的话，针对经过通道的或附着在约束流的壁上的流的Re的对应定义将被适用)。

背景技术

Horf等人(Eliminating turbulence in spatially intermittentflows,Science 19,March 2010:Vol.327，No.5972，pp.1491-1494)公开了消除经过管的空间间歇的流中的湍流的方法，其中层流化的流的抛物线速度分布被变形成湍流团(turbulent puff)上游的柱塞形速度分布。速度分布的变形减小了经过湍流团的后部的轴向速度的突然变化。在数字化模拟中，该方法被报道成功消除了湍流。在已经消除湍流团之后，为了使得抛物线型速度分布变形所需的力甚至可以被停止，并且流继续重新层流化。然而，Hof等人指出，在湍流层流交界处的速度分布的变形在实践中无法像模拟的那样被容易地实现。因而，他们提出了在最初的湍流团的上游采用第二湍流团，以在最初的湍流团的后端处使得速度分布变形。当第二湍流团在最初的湍流团上游的一短距离处被引入时，这两个湍流团之间的短距离不足以允许抛物线型速度分布完全产生，尽管流在两个团之间不会湍流化。Hof等人能够说明引入附加的团允许在附加的团下游、甚至在最初的团的区域中保持管中的流体是层流化的。然而，他们指出他们的简单的策略仅针对足够小的雷诺数在管中Re<2000、在通道中Re<1400以及在导管中Re<1800是工作良好的，并且该策略随着Re增加而效率降低，并且在空间扩张湍流的极限达到(在管中Re>2500)之后，该策略失效。另一方面，在他们的数字化模拟中，使得速度分布变形以重新层流化湍流的基本内容甚至对于较大的雷诺数而言证明是成功的并且将阻力降低两倍以上。