减小流体与表面之间的粘滞力的系统和方法

专利名称：减小流体与表面之间的粘滞力的系统和方法
技术领域：
一般而言，本公开涉及粘性阻力，更具体而言涉及被构造以减小流体表面之间的粘性阻力的超材料(metamaterials)。
背景技术：
物体移动通过流体的低效率的主要贡献者是发生在物体边界层的摩擦阻力或者粘性阻力。摩擦阻力或者粘性阻力倾向于阻碍物体通过流体的移动或者流体在物体上的移动。例如，旋转机械诸如在流体中旋转的涡轮遭受物体边界层处的粘性阻力。在另一实例中，交通工具诸如通过空气移动的航空器遭受交通工具/空气界面的边界层处的摩擦阻力或者粘性阻力，所述阻力倾向于阻碍航空器向前运动。在现有技术中包括的是减小作用于表面的粘性阻力的许多尝试，所述粘性阻力诸如作用于通过空气移动的机翼或者或者通过水移动的水翼上的摩擦阻力。一种减小粘性阻力的方法包括在流体于其上移动的表面中形成多个穿孔或者孔隙，并且对孔隙施加吸力或者吹力(blowing force) 0对孔隙施加吸力是基于从表面的边界层除去低能流体以便减小阻力的原理。对孔隙施加吹力采用对边界层增加较高能流体——其延迟边界层从表面的分离——的原理。如应用于机翼或者水翼升力面的，延迟边界层的分离增加升力、延迟相对于移动的流体流的大角度机翼冲击(attack)的失速(stall)，从而改进升力面的效率。不幸地，在孔隙施加吸力需要有源(active)真空系统。这种有源系统一般地需要增加单独的真空泵或者增加连接现有的真空泵与表面中的孔隙的复杂的一系列管道。如可理解的，有源真空系统的增加通常导致更重的系统，其可导致增加的维护劳动和费用。增加表面移动通过流体流的效率的另一方法包括在流体动力学升力面上使用槽或者拉条。可操作槽或者拉条以通过对在接近升力面流动的边界层气流增能来延迟流动分离。槽或者拉条不意欲减小阻力，并且由于槽或者拉条导致的升力面的附加表面积可轻微地增加粘性阻力。提供槽或者拉条作为在槽或者拉条的后缘周围形成的边界层旋涡的结果来增能边界层。较高能量的边界层流体流分离改进机翼和水翼升力面的效率，类似于与上述吹力技术相关的效率改进。对光滑的表面，这种旋涡在边界层气流中不停移动并且可撞击升力面或者使升力面偏斜。表面上槽或者拉条的构造可适应于边界层气流和周围的流体环境并且适合于升力面可能相对于周围流体环境移动的方式。例如，槽或者拉条必须沿大体平行于升力面相对于流体移动的预定方向定位。如可理解的，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，并且其优选是不需要有源元件的无源系统。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，当改变升力面相对于流体的定向移动时，该方法和系统表现良好。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，该系统和方法结构简单、成本低、并且重量轻。

发明内容
通过超材料具体解决和缓解与减小作用于表面的粘性阻力有关的上述需要，所述超材料可以并入作为通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面的一部分和/或可应用于通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面。 优选地，这种超材料在大约IOw和IO16Hz之间的范围内的频率下具有磁导率响应并且该范围可跨越电磁光谱的红外、可见、和紫外波段。超材料以减小表面上流体的粘性阻力的方式在表面和周围的流体流诸如气流或者液体流之间产生排斥力。相关领域技术人员使用术语“超材料”描述表现天然不可见的性质的材料。当与其他材料——诸如用于包括但不限于机翼和水翼的空气动力学和流体动力学表面的材料接近时，性质上原子和分子一般地经历吸引力。具有相关技术领域的知识的人员通常地在经典理论下称这种力为“范德华”力以及在量子理论下称为“Casimir-Polder-Lifshitz，，力。如在此公开的考虑的超材料和根据在此公开的实施方式的原理使用这种超材料的系统和方法减小、消除和反向这种吸引力，并且实现在表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间的排斥力。如在此公开的超材料具有磁导率，该磁导率在电磁光谱的 IOw至IO16Hz频率范围内对反向这种吸引力响应以产生排斥力。超材料可优选地具有高的磁导率和相对低的电容率一其足以在应用于表面或者与表面结合的超材料和在表面周围或者表面上流动的流体之间足够产生排斥力。在一个实施方式中，超材料可具有比超材料的电容率大上至至少10倍的磁导率。如在此描述的超材料的磁导率是无量纲参数并且指的是相对于自由空间的绝对磁导率(即，μ。= 4 π χ ο"7牛顿/平方米)的材料磁导率。在一个实施方式中，超材料优选地包括具有上至大约25的绝对值的磁导率 μ (ω)。更优选地，超材料可具有在范围从大约5至大约15的磁导率绝对值，其中超材料的电容率绝对值小上至大约10或者更多倍。尽管使用任何适当的制造方法、技术或者机构， 可将超材料应用于任何表面，但是可作为表面的主要部分构造超材料并且也可作为可粘合至表面的附饰物(appliqu6)构造超材料，所述表面诸如水翼的外表面、船壳、汽车表面或者其他交通工具外表面，诸如空气动力学表面，其包括例如航空器机翼、流体动力学表面、 航空器机翼、尾翼表面、控制器表面、机身、螺旋桨叶、涡轮叶片。本公开还考虑通过应用在表面上和/或并入表面中的超材料作为表面的主要部分在表面和流体中的原子和/或分子之间产生排斥力，减小流体移动经过表面的粘性阻力的系统。也公开了形成应用于表面的超材料的方法，以至超材料在超材料表面和流体之间产生排斥力从而减小在表面上流体的粘性阻力。更具体地，可构造考虑的超材料以反向流体和表面之间的范德华力或者量子吸引力以减小其间的粘性阻力。公开的实施方式的技术益处包括不需要有源元件的粘性阻力减小的无源方法。此外，公开的实施方式是有效的和操作的，无需考虑流体和表面之间的运动方向。由于超材料的无源性质和方向独立的(directionalIy independent)操作和功能性能，公开的实施方式可有利地应用于机翼、水翼、和其他流体动力学结构以减小粘性阻力并增加其效率。例如，各种实施方式可应用于空气动力学表面诸如航空器机身、机翼诸如翼或者控制器表面，或者任何表面以减小流体摩擦力和/或改进空气动力学，这可大有裨益， 诸如增加提升力、减小阻力和因而发生地减少航空器燃料消耗。
另外，超材料的各种实施方式可用于涡轮发动机、压缩机、蒸汽涡轮或者其他流体涡轮的叶片、透平风扇叶片、转动叶片、螺旋桨叶、以及其他具有移动通过流体的组件的机器。此外，各种实施方式可用于流体动力学表面诸如水运工具的壳体和其他表面，所述水运工具诸如小船、轮船、和其他交通工具。但是，应用各种超材料实施方式可并入作为任何表面的一部分和/或应用于任何表面，其中需要与流体流动相关的粘性阻力的减小并且表面可包括空气、水、空间和陆地交通工具的所有表面和外层(skin)。已讨论的特征、功能和优势可在本公开的各种实施方式中独立地实现或者可与其他实施方式结合，参考下列描述和下面的附图可理解它们的进一步的细节。


通过参考附图本公开的这些和其他特征变得更加明显，其中相同的数字始终指代相同的部件，并且其中图IA是根据本发明的原理的一个实施方式中，超材料的磁导率(Mu或者“ μ ”)的实部和虚部对实波长频率(欧米加或者“ ω ”)的图；图IB是图IA的超材料的磁导率“ μ ”的实部和虚部对虚波长频率(i* )的图；图2是水的极化率对虚波长频率(i* )的曲线图，并且其中该曲线图使用软件模拟以计算极化率的近似值；图3是标准化的范德华势能对距超材料表面诸如图IA-B和2的超材料表面的距离的曲线图，并且图解根据电响应的排斥势能的变化(例如，电容率伊普西隆或者“ ε ”的变化)；图4Α是根据本发明的原理的包括间隔的纳米圆柱体的纳米制造的超材料的透视图；图4Β是磁导率“ μ，，的实部对波长频率“ ω，，的曲线图，并且图解图4Α的超材料的磁导率响应；图4C是根据本发明的原理的包括间隔的纳米球体的纳米制造的超材料的透视图；图5Α是图解根据本发明的原理的纳米制造的超材料的一组成对的银纳米条 (silver nano-strip)的单胞的截面图；图5B是如此曲线图，其示出电容率“ ε ” (以虚线表示)和磁导率“μ ” (以实线表示)的实部作为图5Α的单胞的波长频率“ ω，，的函数；和图5C是图5Α的单胞的横截面，其示出制造后结构并且进一步图解在单胞的横截面内的总的B-场力线。发明详述现在参考附图，其中示出仅为出于图解公开的优选的和不同的实施方式的目的， 并非为出于限制其的目的，图1-5C图解通过利用超材料的性质减小表面移动通过流体的粘性阻力的本发明实施方式的不同方面，该性质能够实现流体的原子和分子和表面之间存在的吸引力的减小、消除、和/或反向，等等。如在此公开的和根据本发明的原理考虑的实施方式可优选地包括一种超材料或者超材料的结合，该超材料优选地具有高磁导率和低电容率性质——其足以在超材料和在表面上流动的流体之间产生排斥力。如在本公开中所用的，术语“范德华力”指并且一般表征为流体的原子和分子(或者相同分子的部分之间)之间的吸引或者排斥力的总和，其中所述原子和分子紧邻表面。按照经典理论，本领域技术人员将这种力称为范德华力，而按照量子论称为 “Casimir-Polder-Lifshitz” 力。如在此公开的使用这种超材料的系统和方法中的超材料可减小、消除、和反向这种吸引力并且可实现表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间的排斥力。如在此公开的使用其的系统和方法中的超材料实施方式具有在特定电磁光谱的频率下对反向这种吸引力响应以产生排斥力的磁导率。超材料优选地在大约IO14和IO1f5Hz之间的范围内的频率下具有磁导率响应，但是也考虑在该范围之外的频率下的磁导率响应。以减小在表面上流体的粘性阻力的方式，超材料在表面和周围的流体流诸如气流或者液体流之间产生排斥力。在一个实施方式中，超材料优选地具有上至大约25的磁导率μ (ω)绝对值 (即，-25 < μ (ω) < 25)，但是超材料也可具有大于25的磁导率绝对值。如在此描述的磁导率是无量纲参数并且指相对于自由空间的绝对磁导率(S卩，μ ^ = 4 π X ΙΟ"7牛顿/平方米)的材料磁导率。在更优选的实施方式中，超材料可具有从大约5至大约15 (绝对值) 的范围内的磁导率。超材料优选地在大约IO14和IO1f5Hz之间的范围内的频率下具有大于超材料电容率绝对值的磁导率上至大约10或者更大的倍数，但是优选的磁导率和电容率性质可出现在高于和低于优选的频率范围的频率下。另外，超材料可具有大于电容率绝对值任何倍数——包括大于10的倍数——的磁导率绝对值。具有大约-15的磁导率和大约1. 5的电容率的超材料(即，差10倍)可在超材料(例如，应用于或者并入表面中)和接近该表面的流体的原子/分子之间产生排斥势能。对给定组的材料参数，具有上述磁导率和电容率性质的超材料在超材料和在表面上流动的流体之间产生排斥力是有效的，如下更详细描述的。可进一步构造(例如，纳米制造)如在此公开的超材料以在某些波长下具有负的磁导率并可表现负的磁共振性质(即，磁导率的值地增加)。磁导率优选地大于超材料的电容率10或者以上的倍数以产生排斥势能。具有厚度δ的纳米结构的超材料可表征为具有表示为n = n' +in"的有效折射率和表示为η = η' +in"的有效阻抗。在此，n'和 in"分别是有效折射率n的实和虚折射率。同样地，n'和i η "分别是有效阻抗η的实和虚阻抗。Yuan指出为得到这种参数(即，有效折射率n和有效阻抗η)，可通过实验和/ 或通过模拟得到传输和反射场的复值。除具有有效折射率n和有效阻抗η之外，纳米构造的超材料的薄膜的特征在于可被定义为ε =n/ii和μ =nn的其有效电容率ε = ε ‘ +i ε 〃和磁导率μ = μ ‘ +i μ 〃。在此，ε ‘禾Π i ε 〃分别是有效磁导率ε的实和虚磁导率。同样地，μ = μ ‘ + μ “分别是有效磁导率μ的实和虚电容率。负指数超材料(OTM)具有负的电容率和负的磁导率，并可被本领域技术人员称为具有左手电磁特性(left-handed electromagnetism)，如在Yuan中公开。NIM也可被称为左手材料，并可在落于IOw至IO16Hz波段的波长下表现磁共振性能。Yuan指出在这种NIM 中的磁共振包括有效折射率的实部，无论经过强的条件μ ‘ <0和ε' <0或者经过更普通的条件ε ‘ μ 〃 +μ ‘ ε 〃 < 0，其都是负的。
在此公开的实施方式中，可构造超材料以具有足够实现范德华吸引力的反向 (Casimir-Polder-Lifshitz吸引力的反向)的磁导率。根据在此公开的实施方式的原理可构造超材料，并且该超材料可减小、消除、和/或反向这种吸引力和可实现排斥力。可构造超材料和使用其的系统以反向流体和表面之间的范德华力或者量子吸引力以减小其间的粘性阻力。以这种方式，超材料可在表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间产生排斥力。如上所指出的，这种超材料特征也可表征为左手超材料。在具有适当的磁和电响应的表面材料的表面附近可产生排斥势能。对于置于通过半无限半空间模拟的磁-介电板(magneto-dielectric plate)前
的原子，可使用如下方程确定范德华势能U (ZA)
权利要求
1.一种用于减小在表面上流体的粘性阻力的系统，包括在一定范围的频率下具有磁导率响应的超材料00)；其中所述超材料00)置于所述表面上；和所述磁导率足以在所述表面和所述流体之间产生排斥力以减小在所述表面上所述流体的粘性阻力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述频率在大约IOw和IO1f5Hz之间的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述磁导率具有上至大约25的绝对值。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述磁导率的绝对值在大约5和15之间的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述磁导率的绝对值大于电容率的绝对值上至至少10倍。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的系统，其中 表示所述排斥力，并且所述排斥力大于1，根据下式计算所述排斥力 : 二 U/kT > ι其中U表示范德华势能，k表示波尔兹曼常数，和T表示开尔文温度。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的系统，其中所述表面由空气动力学表面和流体动力学表面的至少一个组成。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述空气动力学表面包括航空器机翼、尾翼表面、控制器表面、机身、螺旋桨叶、涡轮叶片的至少一个。
9.根据权利要求1至8的任一项所述的系统，其中构造所述超材料00)以至所述超材料00)的所述磁导率和所述电容率具有负值。
10.根据权利要求1-9的任一项所述的系统，其中所述超材料OO)由在所述表面上形成的一组纳米颗粒06)组成。
11.一种减小相对于表面移动的流体的粘性阻力的方法，包括在所述表面和所述流体之间产生相对运动；和通过将超材料OO)并入所述表面，在所述表面和所述流体之间产生排斥力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中产生步骤包括在大约IOw和IO1f5Hz之间的频率范围从具有磁导率响应的所述超材料OO)产生所述排斥力。
13.根据权利要求11或12的任一项所述的方法，其中通过选择所述超材料OO)以具有上至至少大约25的磁导率绝对值产生所述排斥力。
14.根据权利要求11至13的任一项所述的方法，其中所述超材料OO)具有电容率；通过选择所述超材料OO)以具有如此磁导率的绝对值产生所述排斥力，所述磁导率的绝对值大于所述电容率的绝对值上至至少10倍。
15.根据权利要求11-14的任一项所述的方法，其中通过选择所述超材料OO)以具有大于1的排斥势能 产生所述超材料OO)的所述排斥力，根据下式计算所述排斥力 :其中U表示范德华势能，k表示波尔兹曼常数，和T表示开尔文温度。
全文摘要
超材料在某些频率下具有足以在流体和应用超材料的表面之间产生排斥力的磁导率响应。超材料可以被纳米制造，以至超材料磁导率的绝对值充分地大于超材料的电容率的绝对值。超材料可在表面和相对于表面移动的流体之间产生排斥力，并且从而减小在表面上流体的粘性阻力。减小流体移动经过表面的粘性阻力的方法包括在表面和流体之间产生相对运动，并且在表面和流体之间产生排斥力。
文档编号B64C23/00GK102239084SQ200980149011
公开日2011年11月9日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年12月8日
发明者C·G·帕拉佐利, M·H·塔尼连, R·B·格里高尔 申请人:波音公司