[發明專利]用于控制流動行為的聲子材料

有效

• 申請號: 201580052458.4
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN106922199B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: M·I·侯賽因;S·H·比林根;O·R·比拉爾;A·庫卡拉
• 申請（專利權）人: 科羅拉多州立大學董事會;公司實體
• 主分類號: G10K11/162
• 分類號: G10K11/162
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 賈金巖

提供了一種用于與流體或固體流動相互作用的聲子材料和使用該聲子材料的方法。所述聲子材料包括界面表面和子表面特征部。所述界面表面適于響應于施加在所述界面表面上的與流動中的至少一個波相關聯的壓力而運動。所述子表面特征部從界面表面延伸。所述子表面特征部包括聲子晶體或局部共振超材料，其適于經由所述界面表面基于來自所述流動的壓力接收具有至少一個頻率的至少一個波并且改變所述至少一個波的相位。所述界面表面適于響應于所述至少一個波的操縱/改變的相位以一頻率、相位和振幅振動。

相關專利申請的交叉引用

本申請要求于2014年7月28日提交的美國臨時申請號62/030,048的權益，其全部內容通過引用并入本文，如同在本文中作出全面闡述一樣。

政府權利

本發明得到政府的支持，國家科學基金會授予的批準號為CMMI1131802。政府對本發明具有一定的權利。

技術領域

本發明涉及聲子材料在流量控制中的用途。

背景技術

對于空氣、海洋和陸地車輛以及風力渦輪機、遠程管道和其它應用而言，流體和固體表面之間在相對運動中的相互作用代表對層流至湍流過渡(以及隨之而來的阻力增加)具有中心意義的動態過程。因為表面摩擦阻力在層流中比在湍流中低，所以可以通過延遲層流至湍流的過渡或通過控制并減弱湍流并因此減少完全發展的湍流中的壁剪切來潛在地實現阻力的減小。

流動控制領域可以回溯到史前時期，當時原始工具和武器(例如長矛和箭頭)具有故意包括的結構以與周圍流動有利地相互作用。這些結構是通過經驗演化而不是對底層物理的理解而出現的。在二十世紀初才出現流動控制的科學方法，普朗特提出邊界層理論，伴隨著流動分離的物理學的解釋，以及邊界層控制的若干實驗驗證。在這一創新性貢獻之后，流動控制的概念，特別是對于壁邊界流的概念，成為流體力學中的主要研究推動力，并且其發展經歷了若干階段或時代，在這些階段或時代中已經廣泛研究了許多被動和主動方法。除了別的以外，這些方法包括表面的流線形成，表面加熱或冷卻，將聚合物添加劑注入到流動中，在表面上添加肋，在表面吸附、吹和涂覆柔順材料。

無論用于刺激流動行為變化的方法如何，當識別并清楚地理解特定的不期望的流動結構和機制時，可以實現成功的干預。關于流動過渡和表面(表面摩擦)阻力增大，不穩定擾動的成核和增長是非常有害的。由于它們的波性質，可以阻礙這些干擾的增長(即它們的穩定性)，并且可以通過波消除或至少一定程度的相消干涉來誘發對這些干擾的增長的阻礙。已經使用主動裝置廣泛地研究波消除或疊加。然而，特別是當應用于復雜條件時，結果是平常的，所述復雜條件例如是主擾動在各種頻率、相位和取向上引起殘余擾動而使得控制過程棘手的流動過渡。

在壁邊界流動中，流體和固體的動力學行為之間存在相互依賴性。這種依賴性由界面處的流體-結構相互作用的性質塑造。因此，原則上可以想到使用流體來影響固體的組成性響應，并且反過來，通過調整固體表面的彈性動力學響應來有利地改變“流場的特性和布置”。如上所述，在文獻中已經通過利用具有顯著柔順彈性特性的表面探討了后一概念。當在摩托艇上進行實驗(在該實驗中，具有海豚狀表皮的模型在海中被拖曳并表現出減小超過50％的阻力)后，Max O.Kramer在1957年介紹了這個概念。雖然這一結果后來由于缺乏良好受控的實驗條件而受到質疑，但是它已經幫助引起了對該主題的許多興趣。對如層流至湍流過渡和表面摩擦阻力的一樣復雜的現象的隨之而來的效果進行了大量研究。柔順表面主要允許沿著表面的瑞利彈性波，并且由于其低剛度允許大的表面運動的可能性，并因此允許與流動的顯著相互作用。其主要優點源于其無源性和簡單性，即，不需要主動控制裝置、電線、管道和槽等。這是經濟上期望的益處，實際上是關鍵的，因為在操作主動裝置中消耗的能量可能經常超過通過改變流動節省的能量。然而，該概念具有若干關鍵的缺點。大的壁運動是最不希望的，因為它增加了表面不穩定性(例如顫振)的可能性。此外，在需要承載負荷的材料的激烈的操作環境中，通常不歡迎相當高的柔順度。更根本的缺點是沒有明確的途徑機械調諧以便進行利用流動的精確的頻率相關干預和相位相關干預。