[發明專利]減小流體與表面之間的粘滯力的系統和方法

有效

• 申請號: 200980149011.3
• 申請日: 2009-11-18
• 公開（公告）號: CN102239084A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: C·G·帕拉佐利;M·H·塔尼連;R·B·格里高爾
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: B64C23/00
• 分類號: B64C23/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

技術領域

一般而言，本公開涉及粘性阻力，更具體而言涉及被構造以減小流體表面之間的粘性阻力的超材料(metamaterials)。

背景技術

物體移動通過流體的低效率的主要貢獻者是發生在物體邊界層的摩擦阻力或者粘性阻力。摩擦阻力或者粘性阻力傾向于阻礙物體通過流體的移動或者流體在物體上的移動。例如，旋轉機械諸如在流體中旋轉的渦輪遭受物體邊界層處的粘性阻力。在另一實例中，交通工具諸如通過空氣移動的航空器遭受交通工具/空氣界面的邊界層處的摩擦阻力或者粘性阻力，所述阻力傾向于阻礙航空器向前運動。

在現有技術中包括的是減小作用于表面的粘性阻力的許多嘗試，所述粘性阻力諸如作用于通過空氣移動的機翼或者或者通過水移動的水翼上的摩擦阻力。一種減小粘性阻力的方法包括在流體于其上移動的表面中形成多個穿孔或者孔隙，并且對孔隙施加吸力或者吹力(blowing?force)。對孔隙施加吸力是基于從表面的邊界層除去低能流體以便減小阻力的原理。對孔隙施加吹力采用對邊界層增加較高能流體——其延遲邊界層從表面的分離——的原理。如應用于機翼或者水翼升力面的，延遲邊界層的分離增加升力、延遲相對于移動的流體流的大角度機翼沖擊(attack)的失速(stall)，從而改進升力面的效率。

不幸地，在孔隙施加吸力需要有源(active)真空系統。這種有源系統一般地需要增加單獨的真空泵或者增加連接現有的真空泵與表面中的孔隙的復雜的一系列管道。如可理解的，有源真空系統的增加通常導致更重的系統，其可導致增加的維護勞動和費用。

增加表面移動通過流體流的效率的另一方法包括在流體動力學升力面上使用槽或者拉條。可操作槽或者拉條以通過對在接近升力面流動的邊界層氣流增能來延遲流動分離。槽或者拉條不意欲減小阻力，并且由于槽或者拉條導致的升力面的附加表面積可輕微地增加粘性阻力。提供槽或者拉條作為在槽或者拉條的后緣周圍形成的邊界層旋渦的結果來增能邊界層。較高能量的邊界層流體流分離改進機翼和水翼升力面的效率，類似于與上述吹力技術相關的效率改進。對光滑的表面，這種旋渦在邊界層氣流中不停移動并且可撞擊升力面或者使升力面偏斜。

表面上槽或者拉條的構造可適應于邊界層氣流和周圍的流體環境并且適合于升力面可能相對于周圍流體環境移動的方式。例如，槽或者拉條必須沿大體平行于升力面相對于流體移動的預定方向定位。

如可理解的，在本領域中存在對減小表面移動通過流體的粘性阻力的系統和方法的需要，并且其優選是不需要有源元件的無源系統。另外，在本領域中存在對減小表面移動通過流體的粘性阻力的系統和方法的需要，當改變升力面相對于流體的定向移動時，該方法和系統表現良好。另外，在本領域中存在對減小表面移動通過流體的粘性阻力的系統和方法的需要，該系統和方法結構簡單、成本低、并且重量輕。

發明內容

通過超材料具體解決和緩解與減小作用于表面的粘性阻力有關的上述需要，所述超材料可以并入作為通過流體環境諸如通過空氣或者通過液體(例如，水)移動的表面的一部分和/或可應用于通過流體環境諸如通過空氣或者通過液體(例如，水)移動的表面。優選地，這種超材料在大約10¹⁴和10¹⁶Hz之間的范圍內的頻率下具有磁導率響應并且該范圍可跨越電磁光譜的紅外、可見、和紫外波段。超材料以減小表面上流體的粘性阻力的方式在表面和周圍的流體流諸如氣流或者液體流之間產生排斥力。

相關領域技術人員使用術語“超材料”描述表現天然不可見的性質的材料。當與其他材料——諸如用于包括但不限于機翼和水翼的空氣動力學和流體動力學表面的材料接近時，性質上原子和分子一般地經歷吸引力。具有相關技術領域的知識的人員通常地在經典理論下稱這種力為“范德華”力以及在量子理論下稱為“Casimir-Polder-Lifshitz”力。

如在此公開的考慮的超材料和根據在此公開的實施方式的原理使用這種超材料的系統和方法減小、消除和反向這種吸引力，并且實現在表面和經過表面流動的流體中的原子和/或分子之間的排斥力。如在此公開的超材料具有磁導率，該磁導率在電磁光譜的10¹⁴至10¹⁶Hz頻率范圍內對反向這種吸引力響應以產生排斥力。