专利名称：用于控制紊动气流中涡流结构的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种装置和方法，用于控制紊动气流中的涡流结构，并且因此降低紊流产生的噪音。
背景技术：
在许多工程领域，紊动气流的噪音是一个常见问题。这在飞机工程中尤其严重，因 为导致飞机噪音的原因很多推进系统(如风扇、喷气发动机等)和沿机体空气动力元件的 气流。要大大降低噪音，需要处理不同噪音源(风扇噪音、机体噪音等)的综合方法。本发 明的装置旨在通过控制紊动气流中的涡流结构来降低喷气发动机的噪音。飞机工程的深入发展和新一代客机的出现，导致影响人类的强大噪声源的急剧增 力口。自20世纪50年代制造的第一架客机以来，发动机的排气一直是主要的噪音源。旁路 涡轮喷气发动机的应用帮助改善了飞机的声学性能，但国际组织不断尝试对现有和未来的 飞机实施日益严格的要求，这就要求在降低噪音方面做出更大努力。即将到来的第七届欧 洲空气声学计划的战略目标是，到2010年制定出飞机声学特性全面改善的基本规定和初 步建议，并且到2020年设计出在飞机工业实施的技术方案和有充分根据的建议。要进一步 降低噪音(风扇噪音、机体噪音等)，需要处理各种噪音源的均衡方法，然而，喷气发动机的 噪音似乎仍是解决这一复杂任务的障碍。此外，喷气发动机的噪音仍是首要的噪音源，并且 是超音速飞机进一步发展的主要障碍。因此，目前亟待提出新的思想，除了发展降低飞机发 动机噪音问题的传统方法外，还包括基于保证主动的紊流噪音控制的尝试的新思想。主动的紊流控制尚处于发展的萌芽阶段，要充分发掘其巨大潜力，需要对激励系 统(致动器)、控制算法和测量仪器进行改进。所有的致动器，诸如辉光放电激励器、液体注 射、Helmholtz谐振器和MEMs，作为有效的气流控制仪器都大有希望。关键是要找到一种方 案，既在技术上可行，又具有成本效益。下面列举一些设计方案，可能有助于形成主动紊流控制的致动器-顺电致动器，其中辉光或势垒放电的等离子体被用于产生边界层内的气流速度 场。在这些致动器中，电场的梯度导致离子加速，由于粒子碰撞使主介质发挥作用(见1998 年Roth，J. R. ,Sherman, D. Μ.和Wilkinson，S. P.的“采用大气均勻辉光放电表面等离子体 的边界层气流控制”，AIAA-98-0328)；-用于气流操控的压电致动器，由周期性电压控制，电压使其震荡。膜片震荡推动 空气通过开口(槽或孔)出入，开口将空腔与环境连接(这种气流称为“人造气流”)(见 1993年Wiltse，J. Μ.和Glezer，A.的“采用压电致动器的自由剪切流的操控”，《流体机械》 第 249 期，261-285 页)；_产生涡流的气流或脉动涡流发生器，由通过呈一角度的开口注射的流体脉冲 的震荡形成。这些涡流收集分离的气流，并因此改进空气动力装置的工作(见1998年 Magill, J.C.和McManus，K. R.的“使用脉冲涡流发生器气流对动态气流分离的控制”， AIAA-98-0675)；
-电晕放电致动器，采用在正、负电晕点附近的带电粒子加速产生的离子风(见 Danna A. Lacoste>David Pai禾口 Christophe 0. Laux的“大气压下正DC电晕放电中的离子 风效应”,2005 年，AIAA 2004-354。T. R. Troutt、D. K. Mc Laughlin 的“中等雷诺数超音速 喷气飞机的气流和声学特性试验”，《流体机械》116期123-156，1982年)。然而，如果这种研究必须解决噪音控制，而不仅仅是气流控制，那么问题就变得复 杂得多。
大的涡流在整个紊流噪音辐射中起显著的作用。因此，本发明的主要目的是运用 简单技术控制这些涡流，并开发简单且经济的实施工具。紊动气流中产生的涡流环具有一个涡流核心，形成为波动系统，带有多个在频率 和近场形状和结构上不同的本征震荡。迄今为止，为抑制紊动气体中的噪音做了很多尝试。但最常见的结果是一种抑制 装置，它严重影响了发动机的推进性能。
发明内容
本发明的主要思想是通过产生涡流核心的谐振激励，来影响气流中的涡流环，而 不触及气流，因此不会影响气流的推进性能。这种效果可通过采用能够抑制从排气通道流出的紊动气流中的涡流结构的装置 来实现。本发明提出的这种装置包括至少一对与AC电压源连接的针，以在针之间产生脉动 电晕放电。一个针与气流对齐，另一个针的方向与气流交叉，以提供对涡流结构的电晕放电 的谐振效应。随着被电场加速的带电离子周期性地将气体粒子带入气流，脉动电晕放电形 成脉动微气流。这对针直接位于气流的附近。此外，本发明的影响紊动气流中涡流结构的方法建议，至少一对针与AC电压源连 接，以在针之间产生脉动电晕放电。一个针沿气流放置，另一个针与气流交叉，其结果是对 涡流结构的脉动电晕放电的谐振效应。这对针靠近气流放置。最好，该装置包括两对、四对或六对针。针可用钢或铜制成。本发明的装置可用于 飞机发动机的推进系统。
下面参照附图对该装置进行具体描述，其中-图1是一对针及其位置的示意图；-图2和3示出在紊流中移动的涡流，分别为具有和不具有本发明的装置；-图4示出该装置，其针的位置使得对气流中的涡流产生谐振效应。
具体实施例方式如图1中可看到的，影响在紊流环境中形成的涡流结构(涡流5)的这对针1靠近 流出喷嘴4的紊动气流3定位。根据一种实施例，针和气流之间的距离在0. 5毫米到5毫 米之间的范围内，并且最好在1毫米到2毫米之间。针1与AC高压源(未示出)连接，高压源产生曲折形的近似矩形的正高压脉冲，在通道之间有半周期的相位移。
脉动电晕放电在针1的尖端上产生，形成沿针流动的微气流2。一个针1为阳极， 另一个为阴极。微气流是一种脉动气流，它在第一个半周期内、在高压脉冲的作用下被复 制，而在第二个半周期当针之间没有电势差时完全停止。微气流由涡流束构成，涡流束在每 个周期开始时、在距离针尖大约2毫米处形成，并以5-6米/秒的速度移动。当针通过具有 半周期相位移的双向电路与高压脉冲发生器连接时，它们在每个通道内独立地产生脉动微 气流。总之，微气流的参数提供了影响受激紊流的所需的特性。以正的电晕放电，微气流2 在靠近针1处显示出最大速度。正是应该使用这个针1作为有效的涡流抑制器。应该选择 高的脉动频率来保证对涡流5的谐振效应。应该注意到，如果速度幅度在2米/秒之上，频 率为1000赫兹，距离涡流的距离大约为1厘米，并且针1正确放置，那么微气流对涡流5可 具有显著的谐振效应。操作系统的具体参数取决于紊流和涡流环的具体参数，并选择成破 坏紊流中的涡流环。本发明装置的设计可使用如图1所示的一对针1，或如图4(三对)所示的两对、三 对或更多对的针1。已经发现，这种构形提供了对于受激紊流的所需的谐振效应。此外，在 大的气流速度V的范围内从12米/秒至30米/秒，在脉动电晕放电的微气流的影响下， 会发生涡流环或涡流5的强烈破坏。必须强调，稳定的微气流不会破坏涡流环，涡流环只能被脉动微气流破坏。图2和3示出了在紊流环境中移动的涡流5，在没有脉动电晕放电的情况(见图 2)，以及在从喷嘴4出来的气流的最初部分，涡流5被脉动微气流抑制的情况(见图3)。放电电压不超过23kW时，阳极和阴极针的尖端之间的最佳距离大约为20毫米。第 一对和第二对针之间的最佳距离(沿气流方向)大约为25毫米。在系统设定不同于最佳 情况的所有情况下，涡流环在经过阳极针的影响区域后保持不受破坏。另一方面，一旦系统 参数设定为最佳状态，涡流环即被破坏涡流经过喷嘴上的第一对阴极针，到达第二对阳极 针并消失。尽管这里以优选实施例的方式描述了本发明的装置和方法，但本领域技术人员应 该明白本发明囊括的大量不同的变化和更改。
权利要求
一种装置，用于控制从排气通道流出的紊动气流中的涡流结构，它由至少一对针构成，针与AC电压源连接，以在针之间产生脉动电晕放电，一个针沿气流定位，另一个针与气流交叉，以对涡流结构产生脉动电晕放电的谐振效应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述的这对针靠近气流附近定位。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述的这对针与气流的距离在1毫米到2毫米之间。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其包括两对针。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其包括四对针。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其包括六对针。
7.根据权利要求1至6之一所述的装置，其具有钢或铜制成的针。
8.根据权利要求1至7之一所述的装置，其适于飞机发动机的推进系统。
9.一种方法，用于控制紊动气流中的涡流结构，使用至少一对针，针与AC电压源连接， 以在针之间产生脉动电晕放电，一个针沿气流定位，另一个针与气流交叉，以对涡流结构产 生脉动电晕放电的谐振效应。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，这对针靠近气流附近定位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，这对针与气流的距离在1毫米到2毫米之间。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，它使用两对针。
13.根据权利要求9至11之一所述的方法，它使用四对针。
14.根据权利要求9至11之一所述的方法，它使用六对针。
15.根据权利要求9至14之一所述的方法，它使用钢或铜制成的针。
16.根据权利要求9至15之一所述的方法，它使用的针位于飞机发动机推进系统的排 气通道内。
全文摘要
该装置用于控制从排气通道流出的紊动气流(3)中的涡流结构(5)，它由至少一对与AC电压源连接的针(1)构成，以在针之间产生脉动电晕放电。一个针沿气流定位，另一个针与气流交叉，以对涡流结构产生脉动电晕放电的谐振效应。在用于控制紊动气流中涡流结构的方法中，至少一对针与AC电压源连接，以在针之间产生脉动电晕放电。一个针沿气流定位，另一个针与气流交叉，以对涡流结构产生脉动电晕放电的谐振效应。
文档编号F02K1/82GK101849094SQ200880114962
公开日2010年9月29日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月7日
发明者M·Y·蔡特塞夫, N·N·奥斯特里科夫, S·A·切尔内舍夫, V·F·基皮夫 申请人:空中客车公司