用于控制流动行为的声子材料制造技术

提供了一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料和使用该声子材料的方法。所述声子材料包括界面表面和子表面特征部。所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力而运动。所述子表面特征部从界面表面延伸。所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，其适于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位。所述界面表面适于响应于所述至少一个波的操纵/改变的相位以一频率、相位和振幅振动。

Phonon material for controlling flow behavior

A phonon material for interacting with a fluid or solid flow and a method of using the same are provided. The phonon material comprises an interface surface and a sub surface characteristic part. The interface surface is adapted to move in response to pressure applied to at least one wave in the flow on the interface surface. The sub surface features extend from the interface surface. The sub surface features including local resonance phononic crystals or super material, which is adapted via the interface based on the surface from the flow of the pressure receiving at least one wave has at least one frequency change and the at least one wave phase. The interface surface is adapted to vibrate at a frequency, phase, and amplitude in response to the manipulation / change phase of the at least one wave.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制流动行为的声子材料相关专利申请的交叉引用本申请要求于2014年7月28日提交的美国临时申请号62/030,048的权益，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文中作出全面阐述一样。政府权利本专利技术得到政府的支持，国家科学基金会授予的批准号为CMMI1131802。政府对本专利技术具有一定的权利。
本专利技术涉及声子材料在流量控制中的用途。
技术介绍
对于空气、海洋和陆地车辆以及风力涡轮机、远程管道和其它应用而言，流体和固体表面之间在相对运动中的相互作用代表对层流至湍流过渡(以及随之而来的阻力增加)具有中心意义的动态过程。因为表面摩擦阻力在层流中比在湍流中低，所以可以通过延迟层流至湍流的过渡或通过控制并减弱湍流并因此减少完全发展的湍流中的壁剪切来潜在地实现阻力的减小。流动控制领域可以回溯到史前时期，当时原始工具和武器(例如长矛和箭头)具有故意包括的结构以与周围流动有利地相互作用。这些结构是通过经验演化而不是对底层物理的理解而出现的。在二十世纪初才出现流动控制的科学方法，普朗特提出边界层理论，伴随着流动分离的物理学的解释，以及边界层控制的若干实验验证。在这一创新性贡献之后，流动控制的概念，特别是对于壁边界流的概念，成为流体力学中的主要研究推动力，并且其发展经历了若干阶段或时代，在这些阶段或时代中已经广泛研究了许多被动和主动方法。除了别的以外，这些方法包括表面的流线形成，表面加热或冷却，将聚合物添加剂注入到流动中，在表面上添加肋，在表面吸附、吹和涂覆柔顺材料。无论用于刺激流动行为变化的方法如何，当识别并清楚地理解特定的不期望的流动结构和机制时，可以实现成功的干预。关于流动过渡和表面(表面摩擦)阻力增大，不稳定扰动的成核和增长是非常有害的。由于它们的波性质，可以阻碍这些干扰的增长(即它们的稳定性)，并且可以通过波消除或至少一定程度的相消干涉来诱发对这些干扰的增长的阻碍。已经使用主动装置广泛地研究波消除或叠加。然而，特别是当应用于复杂条件时，结果是平常的，所述复杂条件例如是主扰动在各种频率、相位和取向上引起残余扰动而使得控制过程棘手的流动过渡。在壁边界流动中，流体和固体的动力学行为之间存在相互依赖性。这种依赖性由界面处的流体-结构相互作用的性质塑造。因此，原则上可以想到使用流体来影响固体的组成性响应，并且反过来，通过调整固体表面的弹性动力学响应来有利地改变“流场的特性和布置”。如上所述，在文献中已经通过利用具有显著柔顺弹性特性的表面探讨了后一概念。当在摩托艇上进行实验(在该实验中，具有海豚状表皮的模型在海中被拖曳并表现出减小超过50％的阻力)后，MaxO.Kramer在1957年介绍了这个概念。虽然这一结果后来由于缺乏良好受控的实验条件而受到质疑，但是它已经帮助引起了对该主题的许多兴趣。对如层流至湍流过渡和表面摩擦阻力的一样复杂的现象的随之而来的效果进行了大量研究。柔顺表面主要允许沿着表面的瑞利弹性波，并且由于其低刚度允许大的表面运动的可能性，并因此允许与流动的显著相互作用。其主要优点源于其无源性和简单性，即，不需要主动控制装置、电线、管道和槽等。这是经济上期望的益处，实际上是关键的，因为在操作主动装置中消耗的能量可能经常超过通过改变流动节省的能量。然而，该概念具有若干关键的缺点。大的壁运动是最不希望的，因为它增加了表面不稳定性(例如颤振)的可能性。此外，在需要承载负荷的材料的激烈的操作环境中，通常不欢迎相当高的柔顺度。更根本的缺点是没有明确的途径机械调谐以便进行利用流动的精确的频率相关干预和相位相关干预。流动中的湍流包括反向旋转顺流涡流的布置，其沿着与高速和低速流体的流线相互作用的流动方向延长。在低速流体通过顺流涡流的旋转而被向上推的时间期间，湍流能量的产生增强。在高压涡轮机叶片通道和低压涡轮机叶片通道二者中，通过使用液相和/或气相的任何工作流体，可能需要在通道的吸入侧和压力侧两侧上冷却叶片材料。这可以通过使冷却流体沿着涡轮机叶片通过以通过对流冷却叶片表面上的边界层流体来实现。为了有效地冷却，期望具有高的对流热传递速率，这在流动为局部湍流时是可行的。这是一个具有挑战性的问题，因为在叶片通道的压力侧，流动重新层流化和对流热传递速率很低。
技术实现思路
提供了一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料、该声子材料的使用方法以及设计用于与流动一起使用的声子材料的方法。在一个实施方式中，声子材料包括界面表面和子表面特征部。所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力而运动。所述子表面特征部从界面表面延伸。所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，所述声子晶体或局部共振超材料适于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波，并且改变所述至少一个波的相位。所述界面表面适于响应于所述至少一个波的操纵/改变的相位以一频率、相位和振幅振动。在另一实施方式中，一种控制流动的方法包括响应于施加在界面表面上的与流动中具有至少一个频率的至少一个波相关联的压力使所述界面表面运动。所述方法还包括通过从界面表面延伸的子表面特征部接收至少一个波。所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料。所述方法还包括经由子表面特征部改变至少一个波的相位，以及响应于至少一个波的改变的相位使界面表面以一频率、相位和振幅振动。在又一个实施方式中，提供了一种设计声子材料的方法。在该实施方式中，该方法包括：设计声子子表面材料，使得其相位关系是负的并且其振幅被控制在所述流动波的频率以便引起稳定化，或者其相位关系是正的并且其振幅被控制在该频率以便引起不稳定化。在另一实施方式中，提供了一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料。在此实施方式中，所述声子材料包括界面表面和子表面特征部。所述子表面特征部从界面表面延伸。所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，所述声子晶体或局部共振超材料适于基于来自调制的重力场的体力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位。所述界面表面适于通过响应于所述至少一个波的改变的相位以一频率、相位和振幅振动而与所述流动相互作用。在又一实施方式中，提供了一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料。在此实施方式中，所述声子材料包括界面表面和子表面特征部。所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力而运动。所述子表面特征部从界面表面延伸。所述子表面特征部包括均匀一致的弹性结构，所述弹性结构适于基于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位。所述界面表面也适于响应于所述至少一个波的改变的相位以一频率、相位和振幅振动。与流体或固体流动相互作用的声子材料、使用该声子材料的方法以及设计用于与流动一起使用的声子材料的方法可用于多种应用，包括：通过改变流动特性减小表面摩擦阻力、推进或延迟层流至湍流过渡、增强或减弱湍流、增强和/或吸收流体中的能量、提前或延迟流动分离、增强或减小升力、增强或减少表面振颤、增强或减少流体混合、增强或减少流体-结构界面处的热产生、改变流体内的热传递。通过阅读下面的描述和权利要求以及查看附图，本专利技术的前述和其它方面、特征、细节、效用和优点将是显而易见的。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料，所述声子材料包括：界面表面，所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力运动；以及子表面特征部，所述子表面特征部从界面表面延伸，所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，所述声子晶体或局部共振超材料适于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位，其中，所述界面表面适于响应于所述至少一个波的改变的相位以一频率、相位和振幅振动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.28 US 62/030,0481.一种用于与流体或固体流动相互作用的声子材料，所述声子材料包括：界面表面，所述界面表面适于响应于施加在所述界面表面上的与流动中的至少一个波相关联的压力运动；以及子表面特征部，所述子表面特征部从界面表面延伸，所述子表面特征部包括声子晶体或局部共振超材料，所述声子晶体或局部共振超材料适于经由所述界面表面基于来自所述流动的压力接收具有至少一个频率的至少一个波并且改变所述至少一个波的相位，其中，所述界面表面适于响应于所述至少一个波的改变的相位以一频率、相位和振幅振动。2.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述界面表面的振动适于改变所述界面表面附近的流动的速度场和压力场中的至少一者。3.根据权利要求1所述的声子材料，其中，在许多周期或时间段上发生通过所述界面表面的流体-结构相互作用。4.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述界面表面与流动表面并列设置。5.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述界面表面设置在流动表面处或流动表面后方，并且适于与流动相互作用。6.根据权利要求1所述的声子材料，其中，流动表面介于所述界面表面和流动之间，并且所述界面表面适于通过所述流动表面与所述流动相互作用。7.根据权利要求1所述的声子材料，其中，界面表面与流动表面成一体。8.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述子表面特征部包括声子晶体，所述声子晶体适于通过该声子晶体的周期性与所述流动相互作用。9.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述子表面特征部包括局部共振弹性超材料。10.根据权利要求9所述的声子材料，其中，所述局部共振弹性超材料适于通过与所述流动的波耦合或杂交而与所述流动相互作用。11.根据权利要求1所述的声子材料，其中，声子晶体或局部共振弹性超材料适于产生带结构。12.根据权利要求11所述的声子材料，其中，所述带结构包括阻带，并且有限结构的响应呈现截断共振。13.根据权利要求12所述的声子材料，其中，与负性能指标值相对应的以阻带频率进行的界面运动通过减弱所述波的振幅与所述流动的波相互作用。14.根据权利要求11所述的声子材料，其中，所述带结构包括通带。15.根据权利要求14所述的声子材料，其中，与正性能指标值相对应的以带通频率进行的界面运动通过增加所述波的振幅与所述流动的波相互作用。16.根据权利要求1所述的声子材料，其中，声子材料/结构包括声子子表面材料/结构。17.根据权利要求16所述的声子材料，其中，声子子表面结构至少大体上垂直于所述表面定向。18.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述界面表面被设置成邻近不受所述子表面特征部影响的流动表面。19.根据权利要求1所述的声子材料，其中，柔性流动表面设置在所述界面表面和流动之间。20.根据权利要求1所述的声子材料，还包括第二声子材料结构，所述第二声子材料结构适于通过控制所述流动的波的相位而与所述流动相互作用，其中所述第二声子材料结构在空间上与所述声子材料分散开。21.根据权利要求20所述的声子材料，其中，所述声子材料适于通过改变所述流动中的至少一个波的振幅与所述流动相互作用，并且所述第二声子材料结构适于通过改变所述流动中的至少一个波的振幅与所述流动相互作用。22.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述声子材料适于延迟从层流到湍流的过渡。23.根据权利要求1所述的声子材料，其中，所述声子材料适于加速从层流到湍流的过渡。24.根据权利要求1所述的声子材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·I·侯赛因，S·H·比林根，O·R·比拉尔，A·库卡拉，
申请(专利权)人：科罗拉多州立大学董事会，公司实体，
类型：发明
国别省市：美国,US