專利名稱：用于減小流體動力學結構的噪聲的微結構的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及流體動力學結構，尤其涉及減小流體動力學結構的噪聲的微結構。
背景技術：
在流體動力學中，紊流或湍流是由混沌、隨機特性變化表征的流體狀態。這包括低動量擴散、高動量對流以及在空間和時間內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構中。能量通過慣性和大致無黏滯機制從這些大尺度結構“級聯”到較小尺度結構。該過程連續創造產生渦流層級的越來越小的結構。最終該過程創造這樣的結構，所述結構足夠小而使得分子擴散變得重要并且最終發生能量的粘性消散。發生該情況的尺度是KolmogOTov長度尺度。高能渦流與流體動力學結構的壁的相互作用產生寬帶噪聲。例如，來自紊流邊界層流散射的渦流在行進經過翼型的后緣時是明顯的噪聲源。當上升翼型移動通過紊流時，不穩定的壓力場形成于翼型周圍，這產生表現為寬帶噪聲的聲波。這樣的現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，其結果會相當麻煩。例如，直升機噪聲級可以容易地接近IOOdB,該噪聲的大部分與切入前葉片的尾流的轉子葉片相關。在形狀上與渦輪風扇發動機中的軸流式壓縮機類似的復雜的潛艇推進 器在推進器葉片切入邊界層產生的紊流時產生相當大的噪聲。在戰爭環境中，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，工業在壓力下日益開始減小與飛行器上的渦輪機推進器(即，渦輪風扇、渦輪噴氣引擎等)關聯的噪聲污染級。類似地，風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力資源提取更多可再生能量的轉子的發展；邊界層噪聲(即，風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結構相互作用產生的噪聲。
發明內容
發明人通過使用流體動力學結構的表面上的微結構解決了減小流體動力學結構的噪聲的問題。已發現微結構改變紊動渦流的尺度而使得減小最終噪聲譜。在本發明的一個方面中，一種流體動力學結構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構。該微結構包括在沿著流體動力學結構的弦長的預定距離處的過渡區域，在所述過渡區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，其中微結構減小由流過流體動力學結構的紊動氣流生成的噪聲。在本發明的另一個方面中，一種流體動力學結構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構。多個凸肋包括在沿著所述流體動力學結構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結構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，并且其中微結構減小由流過流體動力學結構的紊動氣流生成的噪聲。
圖I是根據本發明的實施例的流體動力學結構的俯視圖，該流體動力學結構具有用于減小結構的表面上的噪聲的微結構；圖2是圖I的微結構的部分透視圖；圖3是沿著圖2的線3-3獲得的微結構的截面圖；圖4是根據本發明的實施例的微結構的俯視圖，該微結構包括具有在第一區域中的第一輪廓、在第二區域中的第二輪廓和其間的過渡區域的凸肋； 圖5是沿著圖4的線5-5獲得的微結構的放大截面圖；圖6是根據本發明的實施例沿著圖4的線5-5獲得的微結構的放大截面圖，該微結構具有微尺度表面紋理。圖7是根據本發明的另一個實施例的微結構的俯視圖，該微結構包括具有在第一區域中的第一輪廓、在第二區域中的第二輪廓和其間的過渡區域的凸肋；圖8是沿著圖7的線7-7獲得的微結構的放大截面圖；圖9和10是根據本發明的另一個實施例的微結構的示意性透視圖，該微結構包括具有聞度可變的峰的凸肋；圖11和12是微結構的示意性俯視圖，該微結構類似于圖7中的微結構，包括具有在第一區域中的第一輪廓、在第二區域中的第二輪廓和其間的過渡區域的凸肋，區別在于過渡區域在微結構的整個長度上延伸；圖13-15是根據本發明的另一個實施例的具有非線性凸肋的微結構的示意性透視和俯視圖；以及圖16和17是根據本發明的實施例的微結構的示意性透視圖，該微結構具有在具有第一輪廓的第一區域和具有第二輪廓的第二區域之間呈現平滑過渡的凸肋。
具體實施例方式現在參考圖1，流體動力學結構10包括根據本發明的實施例的安裝在結構10的表面14上用于減小噪聲的微結構12。在所示實施例中，流體動力學結構10包括翼型。然而，將領會流體動力學結構可以是針對空氣動力學設計的任何結構，例如風力渦輪機葉片、飛行器發動機的內表面和外表面、飛行器的翼等。當在本文中使用時，“微結構”是具有隨機或有組織型式的二維或三維輪廓的結構，每個結構具有大約O. Imm或以下的尺寸。如圖2和3中所示，微結構12呈小尺寸表面凸起(所謂的“凸肋”)的形式，其中小縱向肋(峰18和谷20)的陣列在表面14上的流體流動方向上在表面14的紊流邊界層區域上延伸。包含凸肋的薄片或片材可以是不透明的、半透明的或透明的。在一個實施例中，薄片或片材包括具有含峰18和谷20的構型外表面的構型外背襯層(outer patternedbacking layer) 16、可選的中間層22、粘結層24和可選的、暫時的、可去除的保護內襯26，例如美國專利No. 7，070，850中所述，該專利的內容通過引用被合并于本文中。在另一個實施例中，微結構12不包括增強層并且包括具有暴露構型外表面(outer exposed patternedsurface)的背襯層16、粘結層24和可選的、暫時的、可去除的保護內襯26，例如美國專利No. 5，848，769中所述，該專利的內容通過引用被合并于本文中。在又一個實施例中，微結構12包括具有暴露構型外表面的構型外背襯層16、粘結層24和背襯層和粘結層之間的過渡層22以及可選的、暫時的、可去除的保護內襯26。還是參考圖1，薄片或片材可以呈菱形面板的形式，所述面板以彼此相互移位的關系安裝在結構10的表面14上。如圖I中所示，一個面板或“尺度”可以包含總共五個凸肋(峰18和谷20)，所述凸肋被定向為它們垂直于(或平行于)流體動力學結構10的半徑r的縱向方向。換句話說，凸肋(峰18和谷20)可以被定向為它們平行于流體動力學結構10的弦長I的縱向方向和流體動力學結構10上的氣流的方向。如圖4和5中所示，微結構12的峰18具有楔形構造并且由通道間隔S彼此間隔， 所述楔形構造具有限定大約5度至大約60度之間的錐角A、高度H的側壁W。微結構12的谷20具有距離D。在一個實施例中，峰18具有在通道間隔S的大約30%至大約70%之間的范圍內的高度H。本發明的一個方面在于微結構12包括第一區域24、第二區域26和其間的過渡區域28，在所述第一區域中微結構12的峰18和谷20具有第一或初始輪廓(即，通道間隔S、高度H和距離D)，在所述第二區域中微結構12的峰18和谷20具有第二或最后輪廓。微結構12的峰18和谷20在沿著流體動力學結構10的弦長I的預定距離處的過渡區域28中從第一輪廓變化到第二輪廓。當然，本發明可以用多于兩個的輪廓實施。例如，微結構12可以具有沿著弦長I的三個、四個、五個或更多個輪廓。在一個實施例中，第二或最后輪廓大致為第一或初始輪廓的尺寸的兩倍。例如，第一或初始輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔S、高度H和距離D，并且第二或最后輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔2*S、高度2*H和距離2*D。因此，第一或初始輪廓中的錐角A與第二或最后輪廓相比更小。將領會本發明不受第二或最后輪廓限制，所述第二或最后輪廓具有第一或初始輪廓的兩倍的相對尺寸。本發明可以用第一輪廓和第二輪廓之間的任何相對尺寸實施，使得相對尺寸因數是大于I的有理數。另外，將領會本發明可以用多于兩個的輪廓實施，并且本發明可以用沿著結構10的弦長I的適當位置處的3、4、5、...個輪廓實施。在圖6所示的另一個實施例中，微結構12的峰18和/或谷20包括一個或多個微尺度表面紋理19，所述微尺度表面紋理具有比峰18和谷20的高度H小得多的高度G。微尺度表面紋理19可以是任何期望的輪廓形狀，例如角錐形、圓形、矩形、多邊形等。微尺度表面紋理19的目的是使微結構12的表面為超疏水性的。必須注意的是在針對這些應用(例如，風力渦輪機葉片和飛行器發動機)設想的情況下，風速的范圍將從好幾十(60至80m/s)至數百米每秒。在這樣的情況下，保證超疏水性所需的這些表面紋理的尺度比為噪聲減小設計的微結構或凸肋的尺度小得多。作為例子，在針對風力渦輪機葉片付諸實踐的表現中，用于大約I米的弦長的翼型的微結構大于大約100微米，而所需的表面紋理的尺度在大約 100 納米的數量級上,如 Tao Deng 等人的 “Nonwetting of impinging droplets ontextured surface” 中所述(Applied Physics Letter 94,133109(2009))。應當認識到微結構12的谷20的距離D可以被消除(D等于零)，如圖7_10中所示。應當理解，與圖4-6中所示的具有相同通道間隔S和高度H的微結構12相比，其中谷20的距離D為零的微結構12的錐角A將更大。凸肋的峰的高度和間隔取決于紊流邊界層的內壁區域中的壁變量。無量綱間隔(s+)和高度(h+)可以被定義為
Γ I+ SU* S Wya=—=-—
VV V P
Γ , + hu h Itwh+ =——=- J—
VV \ p其中u*是摩擦速度，V是運動粘度，Tw是壁到切應力，并且P是密度。Walsh(1990)(Walsh, M. J. 1990 Riblets. Viscous Flow Drag Reduction, Progress inAstronautics and Aeronautics, Vol. 123, D. M. Bushnell and J. Hefner, eds., AIAA,pp. 203-261)顯示對于最大減阻，s+位于10至15之間，并且減阻對于h/s比率不很敏感，只要它位于0. 5至2之間。針對噪聲減小的設計遵循關于s+和h+的類似原則，并且h/s比率的小心控制與根據不同局部邊界層特性的要求優化3個變量的原則一致。定制具有沿著流動方向合適的和不同的間隔、高度和比率的演變邊界層是本發明能夠實現的主要優點；在減小噪聲的實踐步驟中，相比早先使用并且報導(例如，美國專利Nos. 7，108,485、7，070，850和6，729，846)的具有恒定高度和間隔的常規凸肋，這能夠顯著減小更大的噪聲。在風洞實驗中看到的改進顯示，與具有恒定高度和間隔的常規凸肋相比，本發明在大約OHz至大約5000Hz的頻率范圍內提供增加的噪聲減小。在另一個實施例中，峰18可以具有沿著微結構12的整個長度L的可變高度H，如圖11中所示。換句話說，圖11中所示的微結構12定性地類似于圖7中所示的實施例，區別在于在圖11中過渡區域28在微結構12的整個長度L上延伸，而在圖7中過渡區域28不在整個長度L上延伸。也應當注意的是在圖11中，在過渡上相對尺寸增加的因數為I. 5，而在圖7中，相對尺寸增加的因數為2。因此，圖11中的微結構12包括第一區域24、第二區域26和在微結構12的整個長度L上延伸的過渡區域28，在所述第一區域中微結構12的峰18和谷20具有第一或初始輪廓(即，通道間隔S、高度H和距離D)，在所述第二區域中微結構12的峰18和谷20具有第二或最后輪廓，在所述過渡區域中微結構12的峰18和谷20沿著流體動力學結構10的弦長I從第一輪廓不斷地變化到第二輪廓。在所示實施例中，第二或最后輪廓為第一或初始輪廓的尺寸的大約I. 5倍。例如，第一或初始輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔S和高度H，而第二或最后輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔I. 5*S和高度I. 5*H。將領會本發明不受第二或最后輪廓具有第一或初始輪廓的I. 5倍相對尺寸的限制，并且本發明可以用第一輪廓和第二輪廓之間的任何相對尺寸實施。例如，本發明可以用大于I的有理數的相對尺寸因數實施，例如I. 1、1. 2、I. 3,1. 4,1. 5,1. 6,1. 7,1. 8,1. 9,2. 0,2. 1,2. 2,2. 3,2. 4,2. 5,2. 6,2. 7,2. 8,2. 9,3. O 等。另夕卜，將領會本發明可以用多于兩個的輪廓實施，并且本發明可以用沿著結構10的弦長I的適當位置處的3、4、5、...個輪廓實施。
類似地，谷20可以具有沿著微結構12的整個長度L的可變高度H，如圖12中所示。換句話說，圖12中所示的微結構12定性地類似于圖7中所示的實施例，區別在于在圖12中過渡區域28在微結構12的整個長度L上延伸，而在圖7中過渡區域28不在整個長度L上延伸。因此，微結構12包括第一區域24、第二區域26和在微結構12的整個長度L上延伸的過渡區域28，在所述第一區域中微結構12的峰18和谷20具有第一或初始輪廓(即，通道間隔S、高度H和距離D)，在所述第二區域中微結構12的峰18和谷20具有第二或最后輪廓，在所述過渡區域中微結構12的峰18和谷20沿著流體動力學結構10的弦長I從第一輪廓不斷地變化到第二輪廓。在所示實施例中，第二或最后輪廓為第一或初始輪廓的尺寸的大約I. 5倍。例如，第一或初始輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔S和高度H，而第二或最后輪廓的峰18和谷20可以具有通道間隔I. 5*S和高度I. 5*H。將領會本發明不受第二或最后輪廓具有第一或初始輪廓的I. 5倍相對尺寸的限制，并且本發明可以用第一輪廓和第二輪廓之間的任 何相對尺寸實施，使得相對尺寸因數是大于I的有理數。另外，將領會本發明可以用多于兩個的輪廓實施，并且本發明可以用沿著結構10的弦長I的適當位置處的3、4、5、...個輪廓實施。目前為止，微結構12的凸肋(S卩，峰18和谷20)沿著微結構的弦長L是大致線性的。然而，將領會本發明不受線性凸肋限制，并且本發明可以用非線性凸肋實施，如圖13-15中所示。在該備選實施例中，微結構12的凸肋沿著微結構12的長度L在形狀上為大致正弦形(或S形)，并且具有可變高度H。在又一個備選實施例中，微結構12可以具有呈現具有第一輪廓的第一區域24和具有第二輪廓的第二區域26之間呈平滑過渡的凸肋，如圖16和17中所示。如圖16中所示，微結構12從具有四個峰18和谷20平滑地過渡到兩個峰和谷20(即，4 2過渡)。將領會凸肋的特定非線性形狀不限制本發明，并且本發明可以用其他非線性形狀(例如C形等)實施。本發明的微結構12的多個輪廓允許根據流過流體動力學結構10的紊流邊界流而優化噪聲減小。本發明的原理可以用于許多不同類型的應用中。例如，具有微結構的聚合物紋理化薄膜可以應用于風力渦輪機部件(例如葉片、翼型等)的后部段。在另一個例子中，具有微結構的涂層可以應用于飛行器發動機部件(例如風扇葉片、壓縮機葉片等)的后部段、間隙區域或端壁區域。在又一個例子中，具有微尺度結構的涂層可以應用于燃氣渦輪機部件(例如風扇葉片、壓縮機葉片等)的后部段、間隙區域或端壁區域。在另一個例子中，具有微尺度結構的涂層可以應用于固定部件，例如飛行器發動機的機艙、氣體渦輪機的擴散器等。另外，具有微尺度結構的涂層可以應用于非固定部件，例如旋轉軸等。盡管參考示例性實施例描述了本發明，但是本領域的技術人員將理解可以進行各種變化并且等效物可以代替其中的要素而不脫離本發明的范圍。另外，可以進行許多修改以使特定情形或材料適應本發明的教導而不脫離本發明的實質范圍。所以，本發明不應當被限制為作為用于實施本發明而預期的最佳方式公開的特定實施例，而本發明將包括屬于所附權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種流體動力學結構，其包括 表面；以及 由所述表面的至少一部分上的多個峰和谷限定的微結構，所述微結構包括在沿著所述流體動力學結構的弦長的預定距離處的過渡區域，在所述過渡區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，所述第二輪廓不同于所述第一輪廓， 其中所述微結構減小由流過所述流體動力學結構的紊動氣流生成的噪聲。
2.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述第一間隔和所述第一高度小于所述第二間隔和所述第二高度。
3.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述預定距離由流過所述流體動力學結構的紊動氣流限定。
4.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述第二間隔和所述第二高度是所述第一間隔和所述第一高度的有理數倍。
5.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述過渡區域沿著所述微結構的整個長度延伸，使得所述微結構沿著所述微結構的整個長度從所述第一輪廓連續地變化到所述第二輪廓。
6.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述峰和谷大致沿著所述流體動力學結構的弦長延伸。
7.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述峰和谷的間隔和高度沿著所述結構的弦長非線性地變化，同時保持間隔與高度的比率最佳，從而抑制紊動渦流發展。
8.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述峰和谷具有從所述第一輪廓至所述第二輪廓的平滑過渡。
9.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述峰和谷中的一個還包括微尺度表面紋理以允許所述微結構的所述表面為超疏水性的。
10.一種流體動力學結構，包括 表面；以及 由所述表面的至少一部分上的多個凸肋限定的微結構，所述多個凸肋包括在沿著所述流體動力學結構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結構的弦長的第二位置處的第二輪廓，在所述第一輪廓中每個凸肋具有第一寬度和第一高度，在所述第二輪廓中每個凸肋具有第二寬度和第二高度，其中所述第二輪廓不同于所述第一輪廓，并且其中所述第二位置不同于所述第一位置，并且其中所述微結構減小由流過所述流體動力學結構的紊動氣流生成的噪聲。
11.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述第一間隔和所述第一高度小于所述第二間隔和所述第二高度。
12.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述預定距離由流過所述流體動力學結構的紊動氣流限定。
13.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述第二間隔和所述第二高度是所述第一間隔和所述第一高度的有理數倍。
14.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述過渡區域沿著所述微結構的整個長度延伸，使得所述微結構沿著所述微結構的整個長度從所述第一輪廓連續地變化到所述第二輪廓。
15.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述峰和谷的間隔和高度沿著所述結構的弦長非線性地變化，同時保持間隔與高度的比率最佳，從而抑制紊動渦流發展。
16.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述峰和谷具有從所述第一輪廓至所述第二輪廓的平滑過渡。
17.根據權利要求10所述的結構，其特征在于，所述峰和谷中的一個還包括微尺度表面紋理以允許所述微結構的所述表面為超疏水性的。
全文摘要
本發明涉及一種流體動力學結構，所述流體動力學結構包括表面和安裝在所述表面上的微結構。所述微結構由多個峰和谷(即，凸肋)限定并且包括過渡區域，在所述過渡區域中每個峰和谷沿著所述結構的弦長從第一輪廓變化到第二輪廓。所述峰和/或谷可以具有沿著所述微結構的長度的可變尺寸。所述峰和谷沿著所述弦長可以是非線性的并且具有從所述第一輪廓至所述第二輪廓的平滑過渡。所述微結構的不同輪廓被優化以減小由流過所述結構的紊動流體流生成的噪聲。
文檔編號G10K11/16GK102733859SQ20121009950
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年3月30日
發明者A·古普塔, S·M·米勒, T·梅德 申請人:通用電氣公司