專利名稱：用于控制紊動氣流中渦流結(jié)構(gòu)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，用于控制紊動氣流中的渦流結(jié)構(gòu)，并且因此降低紊流產(chǎn)生的噪音。
背景技術(shù)：
在許多工程領(lǐng)域，紊動氣流的噪音是一個常見問題。這在飛機工程中尤其嚴(yán)重，因 為導(dǎo)致飛機噪音的原因很多推進系統(tǒng)(如風(fēng)扇、噴氣發(fā)動機等)和沿機體空氣動力元件的 氣流。要大大降低噪音，需要處理不同噪音源(風(fēng)扇噪音、機體噪音等)的綜合方法。本發(fā) 明的裝置旨在通過控制紊動氣流中的渦流結(jié)構(gòu)來降低噴氣發(fā)動機的噪音。飛機工程的深入發(fā)展和新一代客機的出現(xiàn)，導(dǎo)致影響人類的強大噪聲源的急劇增 力口。自20世紀(jì)50年代制造的第一架客機以來，發(fā)動機的排氣一直是主要的噪音源。旁路 渦輪噴氣發(fā)動機的應(yīng)用幫助改善了飛機的聲學(xué)性能，但國際組織不斷嘗試對現(xiàn)有和未來的 飛機實施日益嚴(yán)格的要求，這就要求在降低噪音方面做出更大努力。即將到來的第七屆歐 洲空氣聲學(xué)計劃的戰(zhàn)略目標(biāo)是，到2010年制定出飛機聲學(xué)特性全面改善的基本規(guī)定和初 步建議，并且到2020年設(shè)計出在飛機工業(yè)實施的技術(shù)方案和有充分根據(jù)的建議。要進一步 降低噪音(風(fēng)扇噪音、機體噪音等)，需要處理各種噪音源的均衡方法，然而，噴氣發(fā)動機的 噪音似乎仍是解決這一復(fù)雜任務(wù)的障礙。此外，噴氣發(fā)動機的噪音仍是首要的噪音源，并且 是超音速飛機進一步發(fā)展的主要障礙。因此，目前亟待提出新的思想，除了發(fā)展降低飛機發(fā) 動機噪音問題的傳統(tǒng)方法外，還包括基于保證主動的紊流噪音控制的嘗試的新思想。主動的紊流控制尚處于發(fā)展的萌芽階段，要充分發(fā)掘其巨大潛力，需要對激勵系 統(tǒng)(致動器)、控制算法和測量儀器進行改進。所有的致動器，諸如輝光放電激勵器、液體注 射、Helmholtz諧振器和MEMs，作為有效的氣流控制儀器都大有希望。關(guān)鍵是要找到一種方 案，既在技術(shù)上可行，又具有成本效益。下面列舉一些設(shè)計方案，可能有助于形成主動紊流控制的致動器-順電致動器，其中輝光或勢壘放電的等離子體被用于產(chǎn)生邊界層內(nèi)的氣流速度 場。在這些致動器中，電場的梯度導(dǎo)致離子加速，由于粒子碰撞使主介質(zhì)發(fā)揮作用(見1998 年Roth，J. R. ,Sherman, D. Μ.和Wilkinson，S. P.的“采用大氣均勻輝光放電表面等離子體 的邊界層氣流控制”，AIAA-98-0328)；-用于氣流操控的壓電致動器，由周期性電壓控制，電壓使其震蕩。膜片震蕩推動 空氣通過開口(槽或孔)出入，開口將空腔與環(huán)境連接(這種氣流稱為“人造氣流”)(見 1993年Wiltse，J. Μ.和Glezer，A.的“采用壓電致動器的自由剪切流的操控”，《流體機械》 第 249 期，261-285 頁)；_產(chǎn)生渦流的氣流或脈動渦流發(fā)生器，由通過呈一角度的開口注射的流體脈沖 的震蕩形成。這些渦流收集分離的氣流，并因此改進空氣動力裝置的工作(見1998年 Magill, J.C.和McManus，K. R.的“使用脈沖渦流發(fā)生器氣流對動態(tài)氣流分離的控制”， AIAA-98-0675)；
-電暈放電致動器，采用在正、負(fù)電暈點附近的帶電粒子加速產(chǎn)生的離子風(fēng)(見 Danna A. Lacoste>David Pai禾口 Christophe 0. Laux的“大氣壓下正DC電暈放電中的離子 風(fēng)效應(yīng)”,2005 年，AIAA 2004-354。T. R. Troutt、D. K. Mc Laughlin 的“中等雷諾數(shù)超音速 噴氣飛機的氣流和聲學(xué)特性試驗”，《流體機械》116期123-156，1982年)。然而，如果這種研究必須解決噪音控制，而不僅僅是氣流控制，那么問題就變得復(fù) 雜得多。
大的渦流在整個紊流噪音輻射中起顯著的作用。因此，本發(fā)明的主要目的是運用 簡單技術(shù)控制這些渦流，并開發(fā)簡單且經(jīng)濟的實施工具。紊動氣流中產(chǎn)生的渦流環(huán)具有一個渦流核心，形成為波動系統(tǒng)，帶有多個在頻率 和近場形狀和結(jié)構(gòu)上不同的本征震蕩。迄今為止，為抑制紊動氣體中的噪音做了很多嘗試。但最常見的結(jié)果是一種抑制 裝置，它嚴(yán)重影響了發(fā)動機的推進性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要思想是通過產(chǎn)生渦流核心的諧振激勵，來影響氣流中的渦流環(huán)，而 不觸及氣流，因此不會影響氣流的推進性能。這種效果可通過采用能夠抑制從排氣通道流出的紊動氣流中的渦流結(jié)構(gòu)的裝置 來實現(xiàn)。本發(fā)明提出的這種裝置包括至少一對與AC電壓源連接的針，以在針之間產(chǎn)生脈動 電暈放電。一個針與氣流對齊，另一個針的方向與氣流交叉，以提供對渦流結(jié)構(gòu)的電暈放電 的諧振效應(yīng)。隨著被電場加速的帶電離子周期性地將氣體粒子帶入氣流，脈動電暈放電形 成脈動微氣流。這對針直接位于氣流的附近。此外，本發(fā)明的影響紊動氣流中渦流結(jié)構(gòu)的方法建議，至少一對針與AC電壓源連 接，以在針之間產(chǎn)生脈動電暈放電。一個針沿氣流放置，另一個針與氣流交叉，其結(jié)果是對 渦流結(jié)構(gòu)的脈動電暈放電的諧振效應(yīng)。這對針靠近氣流放置。最好，該裝置包括兩對、四對或六對針。針可用鋼或銅制成。本發(fā)明的裝置可用于 飛機發(fā)動機的推進系統(tǒng)。


下面參照附圖對該裝置進行具體描述，其中-圖1是一對針及其位置的示意圖；-圖2和3示出在紊流中移動的渦流，分別為具有和不具有本發(fā)明的裝置；-圖4示出該裝置，其針的位置使得對氣流中的渦流產(chǎn)生諧振效應(yīng)。
具體實施例方式如圖1中可看到的，影響在紊流環(huán)境中形成的渦流結(jié)構(gòu)(渦流5)的這對針1靠近 流出噴嘴4的紊動氣流3定位。根據(jù)一種實施例，針和氣流之間的距離在0. 5毫米到5毫 米之間的范圍內(nèi)，并且最好在1毫米到2毫米之間。針1與AC高壓源(未示出)連接，高壓源產(chǎn)生曲折形的近似矩形的正高壓脈沖，在通道之間有半周期的相位移。
脈動電暈放電在針1的尖端上產(chǎn)生，形成沿針流動的微氣流2。一個針1為陽極， 另一個為陰極。微氣流是一種脈動氣流，它在第一個半周期內(nèi)、在高壓脈沖的作用下被復(fù) 制，而在第二個半周期當(dāng)針之間沒有電勢差時完全停止。微氣流由渦流束構(gòu)成，渦流束在每 個周期開始時、在距離針尖大約2毫米處形成，并以5-6米/秒的速度移動。當(dāng)針通過具有 半周期相位移的雙向電路與高壓脈沖發(fā)生器連接時，它們在每個通道內(nèi)獨立地產(chǎn)生脈動微 氣流?？傊饬鞯膮?shù)提供了影響受激紊流的所需的特性。以正的電暈放電，微氣流2 在靠近針1處顯示出最大速度。正是應(yīng)該使用這個針1作為有效的渦流抑制器。應(yīng)該選擇 高的脈動頻率來保證對渦流5的諧振效應(yīng)。應(yīng)該注意到，如果速度幅度在2米/秒之上，頻 率為1000赫茲，距離渦流的距離大約為1厘米，并且針1正確放置，那么微氣流對渦流5可 具有顯著的諧振效應(yīng)。操作系統(tǒng)的具體參數(shù)取決于紊流和渦流環(huán)的具體參數(shù)，并選擇成破 壞紊流中的渦流環(huán)。本發(fā)明裝置的設(shè)計可使用如圖1所示的一對針1，或如圖4(三對)所示的兩對、三 對或更多對的針1。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種構(gòu)形提供了對于受激紊流的所需的諧振效應(yīng)。此外，在 大的氣流速度V的范圍內(nèi)從12米/秒至30米/秒，在脈動電暈放電的微氣流的影響下， 會發(fā)生渦流環(huán)或渦流5的強烈破壞。必須強調(diào)，穩(wěn)定的微氣流不會破壞渦流環(huán)，渦流環(huán)只能被脈動微氣流破壞。圖2和3示出了在紊流環(huán)境中移動的渦流5，在沒有脈動電暈放電的情況(見圖 2)，以及在從噴嘴4出來的氣流的最初部分，渦流5被脈動微氣流抑制的情況(見圖3)。放電電壓不超過23kW時，陽極和陰極針的尖端之間的最佳距離大約為20毫米。第 一對和第二對針之間的最佳距離(沿氣流方向)大約為25毫米。在系統(tǒng)設(shè)定不同于最佳 情況的所有情況下，渦流環(huán)在經(jīng)過陽極針的影響區(qū)域后保持不受破壞。另一方面，一旦系統(tǒng) 參數(shù)設(shè)定為最佳狀態(tài)，渦流環(huán)即被破壞渦流經(jīng)過噴嘴上的第一對陰極針，到達第二對陽極 針并消失。盡管這里以優(yōu)選實施例的方式描述了本發(fā)明的裝置和方法，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 該明白本發(fā)明囊括的大量不同的變化和更改。
權(quán)利要求
一種裝置，用于控制從排氣通道流出的紊動氣流中的渦流結(jié)構(gòu)，它由至少一對針構(gòu)成，針與AC電壓源連接，以在針之間產(chǎn)生脈動電暈放電，一個針沿氣流定位，另一個針與氣流交叉，以對渦流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈動電暈放電的諧振效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的這對針靠近氣流附近定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述的這對針與氣流的距離在1毫米到2毫米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其包括兩對針。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其包括四對針。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其包括六對針。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，其具有鋼或銅制成的針。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其適于飛機發(fā)動機的推進系統(tǒng)。
9.一種方法，用于控制紊動氣流中的渦流結(jié)構(gòu)，使用至少一對針，針與AC電壓源連接， 以在針之間產(chǎn)生脈動電暈放電，一個針沿氣流定位，另一個針與氣流交叉，以對渦流結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生脈動電暈放電的諧振效應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，這對針靠近氣流附近定位。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，這對針與氣流的距離在1毫米到2毫米之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一所述的方法，它使用兩對針。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一所述的方法，它使用四對針。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一所述的方法，它使用六對針。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14之一所述的方法，它使用鋼或銅制成的針。
16.根據(jù)權(quán)利要求9至15之一所述的方法，它使用的針位于飛機發(fā)動機推進系統(tǒng)的排 氣通道內(nèi)。
全文摘要
該裝置用于控制從排氣通道流出的紊動氣流(3)中的渦流結(jié)構(gòu)(5)，它由至少一對與AC電壓源連接的針(1)構(gòu)成，以在針之間產(chǎn)生脈動電暈放電。一個針沿氣流定位，另一個針與氣流交叉，以對渦流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈動電暈放電的諧振效應(yīng)。在用于控制紊動氣流中渦流結(jié)構(gòu)的方法中，至少一對針與AC電壓源連接，以在針之間產(chǎn)生脈動電暈放電。一個針沿氣流定位，另一個針與氣流交叉，以對渦流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈動電暈放電的諧振效應(yīng)。
文檔編號F02K1/82GK101849094SQ200880114962
公開日2010年9月29日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者M·Y·蔡特塞夫, N·N·奧斯特里科夫, S·A·切爾內(nèi)舍夫, V·F·基皮夫 申請人:空中客車公司