用于抑制管线流动和流道流动中的湍流的系统和方法

以下公开涉及主动和被动抑制管道中流体从层流至湍流的过渡的方法和系统，管道被广义地限定成用于流体输送的任何封闭或半封闭通路，如圆形或其他横截面几何形状的管线，以及开放式和封闭式沟道。

背景技术：

1、用于远距离输送液体的管线和管道工程是几乎与人类文明同样古老的课题，其中通过供水路线、水钟和水机关的历史记录可以追溯至古代。已知最早的管道流体流动特性的测量可追溯到十七世纪末期间凡尔赛宫中的水艺花园的建造，且自那时起，此类流动的经验观测和理论理解已经不断地得到完善。

2、众所周知，流体以两种方式流经管道：层流或湍流。在流速较低时，流动为层流，且其特征是具有流动方向一致的有序速度场。随着流速增加，流动突然变得混乱和复杂，这标志着向湍流和湍流流动的转捩。然后，在所有较高的流速都出现湍流和湍流流动。虽然与之密切相关的工作在上个世纪就已开始积累，对这一现象进行建模和理解的科学努力开始于19世纪80年代osborne reynolds(奥斯本-雷诺兹)热衷的管线流动实验。然而，在管线中湍流发展的全面了解至今仍难以琢磨。1921年被称为的“湍流问题”，是经典物理学中最古老的未决问题之一，且至今仍是活跃的研究领域。

3、管线流动中的湍流转捩具有重要的实际意义，因为与层流相比，管线中的流动阻力突然增加约十倍，且所需的泵送能量(以及泵的应力)以相同的系数增加。找到有效控制或延迟湍流转捩的方法已经是流体工程领域的“圣杯”，与解决物理学中的湍流问题并驾齐驱。然而，技术进步一直是微小的、渐进的(例如，最大限度地降低管线表面粗糙度、改进管线段对齐等)。缺乏实质性进展的主要原因是对湍流转捩的实际理解有限，而这最终源于不完整的物理理论。特别地，在转捩发生处的精确流速可以差多个数量级，并且对管线及其环境的许多因素高度敏感，包括外部扰动、管线形状和表面精加工、流体特性等。大量的知识产权旨在减轻管线流动中湍流的发展，然而，所有已知的前期工作基本源于经验观测和直觉，而不是植根于精确而完整的理论框架。

4、如今，在实际中，几乎所有工业规模的管线流动操作远高于湍流转捩。这种操作的原因在于两个方面。首先，层流流速通常慢得不切实际。其次，转捩附近的流速可以导致层流与湍流之间的阵发性转捩，这对管壁产生巨大的循环应力，随着时间的推移，严重降低了管线的结构完整性。这意味着在产品通过管线的递送速度与安装、能耗和维修费用之间成本权衡。对于全球几乎所有的工业管线应用，最佳成本解决方案就是在湍流状态中操作。因此，在全球范围，在相同流速下，与层流相比，管线系统的操作能效大约不到10%的层流效率，且总能耗约占2%的全球能耗。

技术实现思路

1、提供本
技术实现要素：
以介绍将在下文的具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键或基本特征，也并不旨在用作限制所要求保护的主题范围的辅助工具。

2、本公开的一定方面提供了用于管线或管道的湍流控制系统，包括管线或管道的一种或多种改进，这些改进选自包括振动促发装置、纹理表面、改进的横截面、或管线或管道的衬里的横截面结构、涂层和表面处理、以及管道挠性/变形的组。在一个实施例中，管线或沟道的一个或多个改进以抑制管线或管道内流体或气体的湍流转捩模式的方式设置。

3、本公开的湍流控制系统示例包括振动促发装置，这些装置安装至管道或管线的内表面或外表面，或安装至管线或管道的壁厚内，以将扰动施加至管线或沟道内的流体或气体。在某些示例中，特定纹理/图案被置于管线或沟道的内表面。在某些示例中，(多个)改进改变了管线或沟道的流向波长和/或横截面，以使管线或沟道与发展转捩模式不相称。改进可包括衬里于管线或沟道内部的减震材料。在某些示例中，管线内部施加一层或多层涂层和/或表面处理。例如，包括构造成从湍流转捩模式吸收能量的管线沟道的挠性/变形或其中的材料。

4、在某些示例中，湍流控制系统包括用于管线或沟道的检查仪，其中管线检查仪定期通过管线或沟道以用于清洁和检查。在一个实施例中，检查仪构造成穿过现有管线，并从内部对其改装，以用于抑制湍流。湍流控制系统可包括检查工具，其构造穿过管线或沟道的内部或外部以用于清洁、检查和/或维修。在某些示例中，检查工具构造成改装现有管线或沟道线路以用于抑制湍流。湍流控制系统可包括集成有湍流抑制技术的新管线或沟道的制造。在某些示例中，湍流控制系统还包括在施工现场管线或沟道的改进/改造，以用于抑制湍流。

5、本公开的一个示例是用于控制管道中流体流动的湍流的系统，该系统包括构造成其中具有流体流动的管道，以及与管道相关联或集成的至少一个装置，且该装置构造成在管道中的流体流动中产生扰动，以抑制流体流动的计算出的湍流转捩模式。湍流转捩模式可使用管道的几何形状和流体的一个或多个特性基于湍流模型来计算，并根据湍流模型来计算至少一个响应函数和每个响应函数的激发振幅。在某些示例中，根据方程12计算湍流转捩模式，且按照方程4的函数计算产生的扰动。在某些示例中，管道包括管线或沟道。至少一个装置可以是管道的内表面。

6、在某些示例中，至少一个装置包括主动流动扰动装置，系统还包括控制器，该控制器构造成命令主动流动扰动装置，其中主动流动扰动装置构造成响应控制器改进管道中流体流动的流动参数，且其中控制器构造成基于计算出的湍流转捩模式产生指令。系统可以包括至少一个传感器，该传感器构造成测量管道中与层流和湍流之间的过渡有关的流体流动的一个或多个特性，其中控制器还构造成基于测量的特性产生指令。在某些示例中，控制器构造成基于测量的特性计算或调整湍流转捩模式的计算或管道中用于流体流动的湍流转捩模式的放大响应函数中的至少一个。

7、在某些示例中，内表面包括可变形材料，该材料构造成从流体流动中计算出的湍流转捩模式中吸收能量。至少一个装置包括振动促发装置，该装置布置成将振动能量引入至流体流动中，以抑制计算出的湍流转捩模式。

8、本公开的另一示例是一种控制管道中流体流动的方法，该方法包括基于确定的湍流转捩模式调整通过管道的流体流动，以减少其中的湍流。该方法可包括基于按照管道几何形状和流体的一种或多种特性的函数的湍流模型确定湍流转捩模式，并还根据湍流模型计算至少一个响应函数和每个响应函数的激发振幅。在某些示例中，该方法包括按照方程12计算湍流，并按照方程4计算流量调整。

9、在某些示例中，调整流体的流动包括从位于或围绕流体流动的计算出的湍流转捩模式选择性地吸收能量。调整流体的流动可以包括致动主动流动控制装置，该装置构造成在管道中的流体流动中产生扰动，以抑制流体流动的计算出的湍流转捩模式。该方法可包括用与管道相关联或集成的至少一个装置调整流体的流动，其中调整流体的流动包括将能量引入至流体流动或从流体流动中提取能量。

10、在某些示例中，该方法包括感测管道中与层流和湍流之间的过渡有关的流体流动的至少一个特性；以及基于感测的至少一个特性，用至少一个装置来调整流体的流动。该方法可以包括基于感测的至少一个特性计算或调整管道中用于流体流动的湍流转捩模式的计算，且其中用至少一个装置调整流体的流动还基于计算或调整的湍流转捩模式。

11、在某些示例中，该方法包括通过改变管道内表面的特性或将至少一个装置与管道相关联来改进管道，至少一个装置或改进的内表面构造成调整管道中的流体流动，以抑制流体流动的计算湍流转捩模式。

12、而本公开的另一示例是减少管道中流体流动的湍流的方法，该方法包括，给定通过管道的流体流动，从而在管道中的流体流动中产生扰动，以抑制流体流动的计算出的湍流转捩模式。

13、以下具体实施方式参考了附图，这些附图形成了本技术的一部分，并以通过图示示出了具体的实施示例。在不偏离本公开范围的情况下，还可以采用其他实施方式。