专利名称：用于气动流体控制的系统和方法
技术领域：
本申请涉及涡流发生器。尤其地，本申请涉及安装至基本连续的气动表面的涡流 发生器，用于为边界层空气提供能量从而至少部分地减轻这些表面上分离的流的出现。
背景技术：
采用正确的设计，流向涡发生器(SVG)，诸如被动Δ形凸片，能够产生纵向涡流， 其能够有效地保持流体附着到表面上，诸如飞行器的翼。诸如此类的被动器件的劣势在于， 总是要设置这种被动器件，即使并不被需要。在这种情况下，被动SVG会添加寄生阻力，降 低它们使用在其上的空中运输工具的效率。因此，需要对涡流发生器系统和过程作出改善。
图1示出涡流发生器系统的平面图；图2示出图1所示的涡流发生器系统的前视图；图3示出图2的放大部分；图4示出由一表面支承的多个等离子体流向涡发生器；图5示出当涡流发生器系统被激活时的图2的放大视图；图6示出包括等离子体楔形涡流发生器的备选涡流发生器系统的平面图；图7示出沿着图6中的截面线VII-VII所做的横截面剖视图；以及图8示出沿着图7所示的横截面剖视图的下游所做的横截面剖视图。
具体实施例方式参照图1和2，图1示出涡流发生器系统100的平面图，图2示出涡流发生器系统 100的前视图。该涡流发生器系统100包括多个等离子体流向涡流发生器(PSVG) 110。虽然 示出了三个PSVG 110，但是备选实施例可包括任何数量的PSVG 110。PSVG 110包括第一电 极115和第二电极120(在图1中示出为虚线)。PSVG 110也包括设置在第一电极115与 第二电极120之间的绝缘层125。虽然电极115如图所示延伸自绝缘层125的表面，但是应 当理解的是，电极115可采用相对薄的材料形成，和/或能够设置在绝缘层125的表面中的 相应凹槽中，从而部分地或完全地平齐于绝缘层125的上表面。在一些实施例中，电极115 可暴露至周围空气。附近相邻电极115之间的距离会变化。在一些实施例中，相邻第一电 极115之间的距离可以是例如在边界层厚度的三倍至四倍的范围内。第一电极115和第二电极120能够采用导电材料形成，例如铜或金，可以是相对薄 的，诸如铜箔或金箔。绝缘层125可采用电绝缘材料形成，例如Kapton 聚酰亚胺膜、玻璃 陶瓷，诸如MACOR ,或者热塑料，诸如聚醚醚酮(PEEK)。绝缘层125的厚度取决于将要 施加至PSVG 110的最大电压。可以考虑，绝缘层125可包括多层不同的材料，包括例如，多 种类型的绝缘材料。同样，虽然单独一个的第二电极120如图所示相反于多个第一电极115而延伸，但是备选实施例可包括相反于单一和/或多个相应第一电极115的多个第二电极 120。现在也参照图3，该图包括图2的一部分的放大视图，每个PSVG 110包括由绝缘 材料125分离的第一电极115和第二电极120。图3也包括交流(AC)电压源130、压力传 感器150和控制器160的示意性视图。该AC电压源130连接在第一电极115与第二电极 120之间。虽然单独一个的AC电压源130如图所示直接地连接至电极115和120，但是实 际的实施方式可以包括任何数量的AC电压源130并且还能够按照需要在AC电压源130与 电极115和/或120之间包括其他的电路。例如，控制电路可被添加以允许控制将AC电压 施加至电极115和120。同样，可使用电力调节电路，例如用于减缓电压和/或电流峰值。 同样，需要整压和/或整流电路来调节所施加的电压和/或电流的各种特性，诸如幅值和频 率。同样也可以考虑的是，直流(DC)电压源可代替AC电压源130使用，DC电压根据已知 的方法转化为AC电压。现在也参照图4，平面图示出多个PSVG 110和支承PSVG 100的表面135的一部 分。虽然图4示出四个PSVG 110，但是备选实施例可包括任何数量的PSVG。需要指出的是， 第二电极120没有示出在图4中，因为其被绝缘层125遮挡。表面135可以是例如气动表 面的一部分。例如，在与飞行相关的应用中，表面135可以是机翼、机身、尾桁、翼、旋翼、旋 转机翼、机舱的表面或者产生阻力的任何其他表面的一部分。在其他行业中的其他应用，例 如汽车和铁路行业，也可使用涡流发生器系统。表面135优选地采用非后掠形式；例如，表面135可以是飞机的非后掠机翼的一 部分。表面135布置成使得空气典型地沿着箭头FL所示的气流方向流动。例如，表面135 可以是飞行器机器的上表面，其中，飞行器被设计为沿着箭头T所示的方向飞行，这导致由 箭头FL所示的气流方向。第一电极115呈类似矩形，或者至少具有沿大体纵向方向延伸的 相对的纵向边缘11 和115b，其至少类似平行于箭头FL所示的气流方向以及箭头T所示 的行进方向。横向边缘115c和115d如图所示为类似直线型，或者可以是比较圆整的。对 于基于下述说明而能够更好地理解的原因，需要将PSVG 110布置成使得它们的第一电极 115沿着至少类似平行于所期待气流的方向延伸。对于表面需要经受超过一个方向的气流 的实施例，考虑第一组PSVG 110可以布置成使得第一电极115沿着平行于第一期待气流方 向的方向延伸，第二组PSVG 110可以布置成使得第一电极115，或者至少纵向边缘11 和 11 ，沿着平行于第二期待气流方向的方向延伸，对于任何数量组的PSVG 110和相应的气 流方向也是如此。现在也参照图5，示出图2的放大视图，AC电压源130被激活。当AC电压源130被 激活时，在第一电极115与第二电极120之间产生电压差，使得沿着第一电极115的纵向边 缘产生等离子体140。产生等离子体140的进一步细节提供于2006年9月13日提交的名 禾尔为"Plasma Actuators for Drag Reduction on Wings, Nacelles and/or Fuselage of Vertical Take-Off and Landing Aircraft” 的共同待决的美国专利申请 No. 11/519，770 中，其通过引用的方式结合于此。AC电压源130可根据这里所述的方法操作，例如，电压源 130配置成以稳定的频率或不稳定的频率在第一电极115与第二电极120之间施加电压。每个第一电极115的相应纵向轴线在沿着图4所示的交叉流动方向产生电极本体 力的结构中沿平均流动方向(在图4中由箭头FL所示)导向。当PSVG 110位于流体在其上方经过的表面上时，交叉流体导向电极本体力使得下游流体向上卷以形成单独一个的共 同旋转的，或者成对的反旋转的，流向导向涡流，如图5中的箭头V所示。涡流V类似于由 被动SVG产生的那些涡流。但是，PSVG 110可仅在需要时被操作。例如，PSVG 110可通过 选择性地将AC电压施加至第一电极115和第二电极120而被选择性地激活。同样，PSVG 110可形成为与表面135平齐，使得它们不会添加寄生阻力。最后，作为可主动控制的器件，PSVG 110可以随着流体状态的变化而被优化地操 作，在所有应用中提供更好的效率。例如，PSVG 110可根据例如飞行状态和/或其他检测状 态而被自动地激活、调节和/或采用其它方式控制。例如，表面135上的压力传感器150 (在 一些实施例中其可以与图3所示的绝缘层125的上表面一致)能够用于检测气流分离自表 面135，当不希望的流体分离产生时，PSVG 110能够被控制器160自动地激活，当不需要时， 能够被控制器160自动地停用，例如一旦不需要校正流体分离。该控制器160可以采用任 何类型的控制系统、电脑、处理系统等，能够从一个或多个压力传感器150接收信息，根据 从压力传感器150接收的信息控制输入PSVG 110的电压。应当理解的是，虽然控制器160 在图3示出为示意图以作为直接地控制电压源130，但是在备选实施例中，控制器160能够 控制电压源130与PSVG 110其中的一个或多个之间的开关、继电器等。PSVG 110可用于例如有益于易于产生流分离的飞行器的机翼、机翼整流罩和机身 上的流动。这里公开的PSVG 110包括第一电极115，其可以是露出电极，叠置第二电极120， 其可以共用于多个PSVG 110，并且被绝缘层125覆盖。电极导向成使得致动器本体力矢量， 1 ，处于偏离第一电极115每侧的交叉流动方向。所述本体力分量的每个引发交叉流速度， 与平均流相结合，产生流向导向的反旋转涡流。进一步在下游，这些发展成一对流向涡，具 有反旋转流通，与传统Δ形凸片产生的相同。接下来转向图6-8，备选涡流发生器系统如图所示，总体地被指代为元件200。图 6示出等离子体涡流发生器系统200的平面图。图7示出沿着图6中的截面线VII-VII所 做的横截面剖视图。图8示出从图7中的视图的下游所做的第二横截面剖视图。涡流发生器系统200类似于涡流发生器系统100，但是至少不同于，涡流发生器系 统200包括至少一个等离子体楔形涡流发生器(PWVG) 210代替PSVG 110。应当理解的是， 涡流发生器系统200的实施例可包括任何数量的PWVG 210。PffVG 210与PSVG 110不同之 处在于，PWSG 210具有楔形第一电极215代替PSVG 110的比较矩形的第一电极115。类似 于PSVG110，PWVG 210也包括第二电极120(在图6中示出为虚线)以及设置在第一电极 215与第二电极120之间的绝缘层125。第二电极120和绝缘层125可以基本上类似于上 述特征，因此保持使用相同的元件标记。PffVG 210如图所示设置在表面235上。PWVG对于表面235为“后掠形”的情况是 理想的(相对于优选的非后掠式表面13 。例如，表面235可以是飞机的向前或向后掠的 机翼的一部分。表面235具有大体向下游的方向D，其精确的角度将根据包括表面235的机 翼(或者其他结构)的掠过角进行改变。这样，例如，如果表面235是机翼的一部分，那么 箭头D指向机翼的后部。每个楔形第一电极215具有相对的纵向边缘21 和215b，其为偏离第一电极215 的纵向轴线的特定角α，如图6所示。角α可以是任何所需的角，根据交叉流状态进行选择，例如，根据机翼掠过的程度(例如，飞机的机翼与机身之间的角)。例如，角α可以是 处于5至20度的范围内。同样优选的是，楔形第一电极215的相应导向如图6所示交替变 化，即，每个其他第一电极215的末梢215d沿大体向下流的方向指向，而插入第一电极215 的末梢215d沿大体向上流的方向指向。每个楔形第一电极215也具有横向边缘215c和末 梢215d。横向边缘215c可以是直的，如图6所示，或者可以是比较圆整的。末梢215d(以 及第一电极115和215的其他角部)优选地为圆整的，而不是尖的，因为尖的点趋向于使电 场线集中。虽然第一电极215如图7所示从绝缘层125的表面延伸，但是应当理解的是，第一 电极215可采用相对薄的材料形成，和/或能够设置在绝缘层125的表面的相应凹槽中，从 而部分地或完全地与绝缘层125的上表面和表面135平齐。在一些实施例中，电极215可 暴露至周围空气。周围的相邻第一电极之间的距离可以改变。在一些实施例中，相邻的第 一电极215之间的距离可以是例如处于边界层厚度的三倍至四倍的范围。该间隔可以取决 于将施加在第一电极215与第二电极120之间的电压量。该电压量又会取决于将要通过表 面235的典型或最大期望空速，因为所施加的电压量会影响涡流发生器系统200的流体控 制装置(authority)的量。第一电极215和第二电极120可以采用导电材料形成，例如铜或金，其可以是相对 薄的，诸如铜箔或金箔。绝缘层125可采用电绝缘材料形成，例如Kapton 聚酰亚胺膜，玻 璃陶瓷，诸如MAC0R ,或者热塑料，诸如聚醚醚酮(PEEK)。绝缘层125的厚度取决于将 要施加至PWVG 210的最大电压。可以考虑，绝缘层125可包括多层不同的材料，包括例如， 多种类型的绝缘材料。同样，虽然单独一个的第二电极120如图所示相反于多个第一电极 215而延伸，但是备选实施例可包括相反于单一和/或多个相应第一电极215的多个第二电 极 120。返回参照图3，应当理解，交流(AC)电压源130、压力传感器150和控制器160可 采用与PSVG 110相结合的相同的方式如上所述与PWVG 210共同使用。AC电压源130可连 接在第一电极215与第二电极120之间。现在参照图7和8，当AC电压源130被激活时，在第一电极215与第二电极120 之间产生电压差，使得沿着第一电极215的纵向边缘21 和21 产生等离子体，以与上 述类似的方式如图5所示。如上所述，产生等离子体的进一步细节提供于2006年9月13 日提交的名禾尔为“Plasma Actuators for Drag Reduction on Wings, Nacelles and/or Fuselage of Vertical Take-Off and Landing Aircraft” 的共同待决的美国专利申请 No. 11/519, 770中，其通过引用的方式结合于此。AC电压源130可根据这里所述的方法操 作，例如，电压源130配置成以稳定的频率或不稳定的频率在第一电极215与第二电极120 之间施加电压。在PWVG 210位于流体在其上方经过的表面235上的情况下，交叉流体导向本体力 使得流体向下游流动从而向上卷以形成单独一个的共同旋转的，或者成对的反向旋转的， 流向导向涡流，如图7中的箭头\和Vs所示。涡流的尺寸关联于电极215的宽度，这样在 图7所示的部分，涡流\，其产生得更接近外部两个电极215的宽基部边缘215c，大于涡流 Vs，其产生得更接近中心电极215的较窄末梢215d。如图8所示，较大的涡流最终吞没较小 的下游涡流(沿着图6所示的箭头D的总体方向)，产生一对反向旋转涡流V。。
类似于PSVG 110,PffVG 210可作为可主动控制的器件，因此，PWVG210可以随着流 体状态的变化而被优化地操作，在所有应用中提供更好的效率。例如，PWVG 210可根据例 如飞行状态和/或其他检测状态而被自动地激活、调节和/或采用其它方式控制。例如，表 面235上的压力传感器150能够用于检测气流分离自表面235，当不希望的流体分离产生 时，PffVG 210能够被控制器160自动地激活，当不需要时，能够被控制器160自动地停用， 例如一旦不需要校正流体分离。该控制器160可以采用任何类型的控制系统、电脑、处理系 统等，能够从一个或多个压力传感器150接收信息，根据从压力传感器150接收的信息控制 输入PWVG 210的电压。应当理解的是，虽然控制器160在图3示出为示意图以直接地控制 电压源130，但是在备选实施例中，控制器160能够控制电压源130与PWVG 210其中的一个 或多个之间的开关、继电器等。PffVG 110可用于例如有益于易于产生流分离的飞行器的机翼、机翼整流罩和机身 上的流动。这里公开的PWVG 110包括第一电极215，其可以是露出电极，叠置第二电极120， 其可以共用于多个PWVG 110，并且被绝缘层125覆盖。电极215导向成使得致动器本体力 矢量，1 ，处于偏离第一电极215每侧的交叉流动方向。本体力分量的每个引发交叉流速 度，与平均流相结合，产生流向导向的反旋转涡流，其根据电极215的宽度改变尺寸。进一 步在下游，这些涡流发展成一对流向涡，并且进行反旋转流通。已经清楚地描述并示出具有明显优势的发明。虽然本发明示出为有限的形式，但 是并不局限于仅仅这些形式，但是可在不脱离本发明的精髓的情况下进行各种改变和变 化。
权利要求
1.一种与一表面使用的涡流发生器系统，所述表面配置成使得空气流沿预定的气流方 向通过所述表面上方，该系统包括第一电极，该第一电极具有纵向尺寸和横向尺寸，所述横向尺寸小于所述纵向尺寸，其中，所述纵向尺寸沿基本上平行于预定气流方向的纵向方向延伸；第二电极；设置在所述第一电极与第二电极之间的绝缘层；以及电压源，用于在第一电极与第二电极之间产生电压，使得等离子体沿着第一电极的纵 向边缘形成。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极具有基本上平行于所述纵向方向 延伸的纵向边缘。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极具有以相对于纵向方向的角度延 伸的纵向边缘，其中，所述角处于五至二十度的范围内。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面设置在机翼上。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极和第二电极其中的至少一个包括 铜和金其中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述绝缘层包括聚酰亚胺材料、陶瓷材料和热塑 性材料其中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括用于检测气流从所述表面分离的压力传感器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电压源受控从而当气流分离被压力传感器 检测时在第一电极与第二电极之间产生电压。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极为至少类似矩形。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极为至少类似三角形。
11.一种在一表面上产生涡流的方法，所述表面配置成使得空气流沿预定的气流方向 通过所述表面上方，该方法包括在第一电极与第二电极之间产生电压，使得等离子体沿着第一电极的纵向边缘形成；其中，绝缘层设置在所述第一电极与第二电极之间；其中，第一电极具有纵向尺寸和横向尺寸，所述横向尺寸小于所述纵向尺寸；以及其中，所述纵向尺寸沿基本上平行于预定气流方向的纵向方向延伸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电极的纵向边缘基本上平行于所述 纵向方向延伸。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电极具有以相对于纵向方向的角度 延伸的纵向边缘，其中，所述角度处于五至二十度的范围内。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述表面设置在机翼上。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电极和第二电极其中的至少一个包 括铜和金其中的至少一个。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述绝缘层包括聚酰亚胺材料、陶瓷材料和热 塑性材料其中的至少一个。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括检测气流从所述表面的分离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电压的产生包括当气流分离被检测时在第一电极与第二电极之间产生电压。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电极为至少类似矩形。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电极至少类似三角形。
全文摘要
一种涡流发生器系统，包括一个或多个等离子体流向涡发生器(PSVG)或者等离子体楔形涡流发生器(PWVG)。该PSVG和PWVG每个包括由绝缘层分离的第一电极和第二电极。该第一电极沿着纵向方向延伸。PSVG和PWVG能够安装在布置成容纳沿着特定流动方向的空气流的表面。PSVG具有露出的矩形第一电极并且至少类似平行于所需流动方向，而PWVG的第一电极的形状更类似三角形。当AC电压施加至第一和第二电极时，等离子体沿着第一电极的边缘形成。等离子体沿着交叉流动方向施加本体力，其引发交叉流动速度，与平均流动相结合，产生流向导向的反旋转涡流。
文档编号B23K9/00GK102112262SQ200980130366
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者弗林特.托马斯, 戴维.沙茨曼, 托马斯.科克, 汤米.伍德 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司