[發(fā)明專利]用于減小流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的噪聲的微結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210099506.3
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102733859A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·古普塔;S·M·米勒;T·梅德
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;B64C21/10;G10K11/16
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;譚祐祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其涉及減小流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的噪聲的微結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

在流體動力學(xué)中，紊流或湍流是由混沌、隨機特性變化表征的流體狀態(tài)。這包括低動量擴散、高動量對流以及在空間和時間內(nèi)壓力和速度的快速變化。

紊流使得形成許多不同長度尺度的渦流。紊流運動的大部分動能包含在大尺度結(jié)構(gòu)中。能量通過慣性和大致無黏滯機制從這些大尺度結(jié)構(gòu)“級聯(lián)”到較小尺度結(jié)構(gòu)。該過程連續(xù)創(chuàng)造產(chǎn)生渦流層級的越來越小的結(jié)構(gòu)。最終該過程創(chuàng)造這樣的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)足夠小而使得分子擴散變得重要并且最終發(fā)生能量的粘性消散。發(fā)生該情況的尺度是Kolmogorov長度尺度。

高能渦流與流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的壁的相互作用產(chǎn)生寬帶噪聲。例如，來自紊流邊界層流散射的渦流在行進(jìn)經(jīng)過翼型的后緣時是明顯的噪聲源。當(dāng)上升翼型移動通過紊流時，不穩(wěn)定的壓力場形成于翼型周圍，這產(chǎn)生表現(xiàn)為寬帶噪聲的聲波。這樣的現(xiàn)象可以容易地在幾乎所有類型的運輸工具中看到，例如機動車輛、飛機、直升機、輪船、潛艇等，其結(jié)果會相當(dāng)麻煩。例如，直升機噪聲級可以容易地接近100dB，該噪聲的大部分與切入前葉片的尾流的轉(zhuǎn)子葉片相關(guān)。在形狀上與渦輪風(fēng)扇發(fā)動機中的軸流式壓縮機類似的復(fù)雜的潛艇推進(jìn)器在推進(jìn)器葉片切入邊界層產(chǎn)生的紊流時產(chǎn)生相當(dāng)大的噪聲。在戰(zhàn)爭環(huán)境中，這樣的噪聲級明顯地限制這些交通工具的隱形能力。另外，隨著諸如“Silent?Skies?Act?of?1999”的法案的通過，工業(yè)在壓力下日益開始減小與飛行器上的渦輪機推進(jìn)器(即，渦輪風(fēng)扇、渦輪噴氣引擎等)關(guān)聯(lián)的噪聲污染級。類似地，風(fēng)力渦輪機噪聲限制它們的公眾接受度以及限制從地球的風(fēng)力資源提取更多可再生能量的轉(zhuǎn)子的發(fā)展；邊界層噪聲(即，風(fēng)力渦輪機葉片的邊界層中的紊流與翼型表面的相互作用)是風(fēng)力渦輪機噪聲的主要來源之一。因此，廣泛地需要減小由渦流與流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明人通過使用流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的表面上的微結(jié)構(gòu)解決了減小流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的噪聲的問題。已發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)改變紊動渦流的尺度而使得減小最終噪聲譜。

在本發(fā)明的一個方面中，一種流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)包括表面和由該表面的至少一部分上的多個峰和谷限定的微結(jié)構(gòu)。該微結(jié)構(gòu)包括在沿著流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的弦長的預(yù)定距離處的過渡區(qū)域，在所述過渡區(qū)域中每個峰和谷從由第一間隔和第一高度限定的第一輪廓變化到由第二間隔和第二高度限定的第二輪廓，第二輪廓不同于第一輪廓，其中微結(jié)構(gòu)減小由流過流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的紊動氣流生成的噪聲。

在本發(fā)明的另一個方面中，一種流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)包括表面和由該表面的至少一部分上的多個凸肋限定的微結(jié)構(gòu)。多個凸肋包括在沿著所述流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的弦長的第一位置處的第一輪廓和在沿著所述流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的弦長的第二位置處的第二輪廓，在第一輪廓中每個凸肋具有第一寬度和第一高度，在第二輪廓中每個凸肋具有第二寬度和第二高度，其中第二輪廓不同于第一輪廓，并且其中第二位置不同于第一位置，并且其中微結(jié)構(gòu)減小由流過流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的紊動氣流生成的噪聲。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)的俯視圖，該流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)具有用于減小結(jié)構(gòu)的表面上的噪聲的微結(jié)構(gòu)；

圖2是圖1的微結(jié)構(gòu)的部分透視圖；

圖3是沿著圖2的線3-3獲得的微結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的微結(jié)構(gòu)的俯視圖，該微結(jié)構(gòu)包括具有在第一區(qū)域中的第一輪廓、在第二區(qū)域中的第二輪廓和其間的過渡區(qū)域的凸肋；

圖5是沿著圖4的線5-5獲得的微結(jié)構(gòu)的放大截面圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例沿著圖4的線5-5獲得的微結(jié)構(gòu)的放大截面圖，該微結(jié)構(gòu)具有微尺度表面紋理。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的微結(jié)構(gòu)的俯視圖，該微結(jié)構(gòu)包括具有在第一區(qū)域中的第一輪廓、在第二區(qū)域中的第二輪廓和其間的過渡區(qū)域的凸肋；

圖8是沿著圖7的線7-7獲得的微結(jié)構(gòu)的放大截面圖；

圖9和10是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的微結(jié)構(gòu)的示意性透視圖，該微結(jié)構(gòu)包括具有高度可變的峰的凸肋；

圖11和12是微結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖，該微結(jié)構(gòu)類似于圖7中的微結(jié)構(gòu)，包括具有在第一區(qū)域中的第一輪廓、在第二區(qū)域中的第二輪廓和其間的過渡區(qū)域的凸肋，區(qū)別在于過渡區(qū)域在微結(jié)構(gòu)的整個長度上延伸；

圖13-15是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的具有非線性凸肋的微結(jié)構(gòu)的示意性透視和俯視圖；以及