CN101374717A - 用于减小因物体与流体相对移动而产生的阻力的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于减小因物体和流体之间或流体在物体中的相对运动而产生的阻力或水头损失的装置。在与流体接触的物体的表面内或在该表面顶部，所述装置具有用于对沿物体表面的流体旋涡的旋转方向进行控制的部件(2)，因而减小了流体与物体之间的摩擦力，并因此减小了阻力、物体所受到的限制、或流体的水头损失。

Description

用于减小因物体与流体相对移动而产生的阻力的装置
背景技术
当物体在流体内部移动时，或当流体在物体周围或之内流动时，该物体承受由穿过物体的流体的速度或由其在物体内受到限制而引起的压力，并承受作用在与物体移动相反方向上或作用在流体流动方向上的力。这种与物体在流体内的移动相反或与流体在物体内的移动相反的力是摩擦阻力或摩擦水头损失。在层流中，阻力相对较弱，但只要物体和流体的相对速度增大，至少在物体浸入流体内的某些表面部分周围流动就会变为湍流。这种湍流在物体周围或沿物体产生具有旋转方向的流体旋涡，使得流体的与物体接触或接近的层具有在与物体移动方向相反的方向上或在流体流动方向上定向的移动分量。这样以如下方式明显增加了阻力，并显著增大了摩擦阻力或摩擦水头损失，即，更大的推力必须施加在移动的物体上以使其移动稳定，或者必须提高泵送力以维持流体在通道中的流速。另外，这样使物体受到了限制。
这种现象尤其被发现在运载工具的任何移动中，例如船在水中或汽车、火车以及飞机在空气中的移动，结果是必须为克服阻力所需的更高推力耗费多余的能量或燃料。在物体不动的情况下，必须将它们设计成使得它们可以承受这些力和限制。最后，在流体在管中循环的情况下，会导致空穴现象并需要更高的泵送动力以使流体流速稳定。
发明内容
本发明的目的是实现一种装置，通过该装置，以物体表面的至少一部分与流体之间的摩擦力得到减小的方式对因流体在物体周围或之内进行湍流而引发的旋涡的旋转方向进行控制，这样减小阻力、限制以及水头损失。
在固定结构、建筑物、桥、风力涡轮机等上，根据本发明的装置能够降低因它们承受的流体的流动而引起的限制，并由此减少它们的疲劳和磨损。
根据本发明的装置减小了物体在流体中运动所引起的阻力、固定物体所受到的限制、或流体在通道中流动而引起的水头损失，克服了所提及的缺陷，并可以实现以上提出的目的，在权利要求1中列出了区别特征。
附图说明
附图一方面以自然产生的方式表示在物体周围的湍流现象，另一方面以出现在装有本发明装置的物体周围或之内的方式表示上述现象。
图1示意性表示在流体内移动的物体周围或在物体周围移动的流体的湍流。
图2示意性表示装有本发明装置的物体，以及由其产生的得到改动的流动。
图3表示装有本发明装置的变形体的物体。
图4-7通过非穷尽的举例表示通过本发明装置可以呈现的不同形式。
图8表示装有本发明装置的光滑、自粘着型材。
图9表示装有本发明装置的列车。
图10和11表示从侧面观察并沿线A-A部分截取的以及从上方看的装有本发明装置的桥。
图12是装有用于减小阻力的装置并用于完成测试的前锥体的示意图。
图13表示已经施加图7所示装置并作为有效测试基础的前锥体的一部分。
图14表示装有嵌入前锥体内的图7所示的装置并作为有效测试基础的前锥体的一部分。
图15表示装有嵌入的装置的管路。
图16表示装有连接的装置的管路。
图17表示通过所述装置实现的再循环现象。
具体实施方式
图1示意性表示当物体在流体内移动或流体在该物体周围流动时，湍流状态随着物体和流体的相对速度的提高而产生，并引起流体旋涡，其具有较大速度和旋转方向，使得与物体表面接触的流体线具有相对物体的速度，该速度比物体穿过流体的移动速度更大，但处于相反方向。这样使流体与物体之间的摩擦力增加，并由此拉加了阻力，尤其是摩擦阻力。
另外这些旋涡移动离开物体，这样使沿所述物体表面流动的不稳定性增加并导致分流，由此导致更明显的阻力。
图2表示物体1装有装置2，该装置可以控制和引导尤其是物体周围湍流的旋涡的旋转方向。
在所示实例中，这些装置2由在浸入流体内的物体1的整个表面上延伸并优选大体上垂直于流体流动延伸的凹槽构成。该凹槽2具有的形式被设计成使得与物体1表面的至少一部分接触并达到该凹槽的流体线渗入所述凹槽，并引导到一旋转方向，使得与装置下游物体接触的流体线相对于物体1的速度在该物体的移动方向上，也就是与流体流动方向相反，旋涡的旋转方向已经得到装置2的控制和引导。因而使流体与物体1之间的摩擦力降低，并使阻力减小。根据本发明的包括凹槽2的装置使旋涡的旋转方向可以反向，由此降低至少在凹槽2下游的一定距离上的摩擦阻力。
另外，这些旋涡的方向往往使流体流动与物体表面重新连接，由此延迟了分流的瞬间并减小了阻力。
凹槽2相对于物体1的位置可以改变，尤其随着物体1的形状而变，但该凹槽2优选位于物体上通常形成边界层湍流的上游位置。几个凹槽2可以沿物体前后布置在物体上的不同位置。
对于列车、汽车或飞机来说，该凹槽2自身进行封闭，因为物体完全浸入空气内。相反，对于船来说，凹槽2应该仅设置在船体得到浸没的部分上。
对于装有浸没球形物的船，凹槽2又可以沿其整个圆周布置在该球形物上。
在图3所示的变形中，物体1装有包括凹槽2的凸出部3。该凸出部可以与物体为一体，或者由固定在物体1上的型材组成。
在图2中可以看到在球形物体1的前部上的区域5覆盖有似稳定流体帽罩。
在横截面上看到，凹槽2的形状可以根据通过4-7中的实例示意性示出的实施方式而改变。
在图4中示出的变形包括大体上对称并具有自由边缘2a，2b的凹槽，所述自由边缘位于在流体中移动的物体的表面4的延伸部上。在该变形中，凹槽延伸超过180°，其自由边缘2a，2b相互间隔的距离小于凹槽2的最大宽度。
在图5所示的变形中，凹槽2大体上为U形。
在图6和7所示的变形中，凹槽2在其自由边缘2a，2b中的一个相对于浸入流体内的物体的外封套偏移的意义上来说是非对称的，这样在一些情况下便于流体在该凹槽中的流动。
在图4，6和7所示的变形中，凹槽2大体上为C形。
图8表示包括下表面6a的型材6，所述下表面可以装有由可拆开薄片防护的自粘着层。该型材具有薄的锥形边缘6b，6c和其上形成凹槽2的厚的中心部分。这一阻力减小装置的实施方式实用并易于实施，因为其不需要修改与流体接触的物体表面的形状。实际上，有能力在型材6上切割与物体周长或物体上应该装有阻力减小装置的部分相对应的长度，并随后将该型材片段沿所需的大体上与流体流动正交的路径粘结在物体表面上以使物体装有由凹槽2构成的所述阻力减小装置。
所述装置可以控制、加强以及使流体流动平稳，这样确保了更稳定的速度和压力。
借助本发明装置获得的结果是在流体中移动的物体所承受的阻力明显减小。该结果对于在流体内移动的所有运载工具非常重要，包括船、列车、汽车、飞机等，因为阻力减小以及摩擦力的明显减小自动带来驱动所需能量的减少，由此降低了燃料消耗或提高了车辆速度。
如图2所示，在流体中移动的物体上所具有的装置可以导致以帽罩的形状在物体1前部形成稳定流体薄膜5，从而又减小了阻力。
图9表示装有本发明两个装置2的陆地车辆，这两个装置2前后布置并间隔一定距离。两个装置之间沿车辆的距离优选小于在第一装置下游形成边界层的距离。
对于固定结构、建筑物、风力涡轮机、离岸平台、桥、以及任何类型的结构，根据本发明的装置使它们所受到的限制变小，并由此降低了它们的疲劳和/或磨损。
作为实例，在图10和11中示出了从侧面和从上面观察并装有本发明装置的桥。
桥的塔门P各自装有几个凹槽2，这些凹槽2具有图4-7所示的大体上的“C”形状并沿塔门的一个或几个母线延伸。桥板T同样装有具有大体上“C”形的一个或几个凹槽2。
这些大体上C形的凹槽2稳定和控制了在桥的塔门P和桥板T周围流动的水或空气流，并起到了在给定的这些元件周围的水和/或空气流动速度下使它们受到更低限制和力的作用。
在所有这些应用中，由于在浸入流体内的物体周围形成的旋涡的旋转方向反向，因此阻力减小装置产生明显减小的摩擦阻力和总阻力，产生使物体和流体流相对移动速度减小的效果。
为了说明根据本发明的装置的可行性和效率，对于浸入水中的物体进行第一测试，该物体具有长21米、最大直径2.8米的前锥体21的形状(图12)。在该图中，为了说明的需要，根据本发明的装置的尺寸相对于前锥体的尺寸已经得到了放大。
在第一构造中(图13)，这种前锥体装有根据图8类型的阻力减小装置，也就是装置2组合在紧固于前锥体外壁上的元件6内。该装置已经被布置成与前锥体的尖成大约2.6米的距离，或者与前锥体的最大横截面成大约4.4米的距离。图13以部分横截面表示装有该装置的前锥体。凹槽2的直径在这种情况下为2.5cm量级。
对于湍流水流动，可以注意到，根据Spalart-Allmaras模型(spl)，目前的装置在前锥体表面上产生略微增加的流体压力并相对于在缺少本发明装置的相同前锥体周围的同一流动产生明显降低的摩擦阻力。所获得的数字是：
 
具有装置 不具有装置 差值
压力阻力系数 0.0080 0.0026
摩擦阻力系数 0.0371 0.0445
总阻力系数 0.0451 0.0471 -4.39％
对类似的前锥体采取相同的措施，其中根据本发明的装置已经嵌入表面内，也就是机械加工或通过成形实现的嵌入(图14)。
在该实例中，装置被布置在与在前实例相同的前锥体的位置上，只是凹槽2的直径被提高到5cm，并且凹槽具有图7所示类型的形状。所获得的数据是：
 
具有装置 不具有装置 差值
压力阻力系数 0.0063 0.0026
摩擦阻力系数 0.0378 0.0445
总阻力系数 0.0441 0.0471 -6.49％
在两种情况下，利用布置在前锥体顶部上或一体形成在前锥体表面内的单个装置实现了总阻力明显降低大约4.4％-6.5％。
为了进一步提高这种阻力的减小，可以在前锥体表面上前后布置几个装置。实际上任何给定的装置仅在其下游的一定距离上产生效果，使得沿浸没物体表面的流动旋涡旋转方向反向的现象可以重复几次。
因而确保了在采用沿浸没物体前后布置的几个阻力减小装置时，作用在浸入流动流体内的物体上的总阻力的减小的程度更大。
应该认识到凹槽2的尺寸、其形状及其相对于浸入在流体内的物体的位置可以改变其阻力减小的效率。
还注意到在采用根据本发明的阻力减小装置时空穴现象的减少。
根据本发明的阻力减小装置同样有效地适用于减少流体在管中流动时的水头损失和空穴。这一点可以证明在许多领域例如压力管、流体分布网、发动机进气或排气歧管、管线等中是重要的。
图15以横截面图示意性表示采用被嵌入或机械加工在管路壁内的阻力减小装置。
图16以横截面图示意性表示采用被连接在管路内壁上的阻力减小装置。
图17表示在水中移动并具有阻力减小装置的浸没物体的一部分，示出了通过该装置引起的水的再循环。
同样对于管路来说，只要流体流动变为湍流，所具有的阻力减小装置的凹槽2就会使流体旋涡的旋转方向反向，由此使管路和与该管路的壁接触的流体层的相对速度降低，这样又减少了通道中的水头损失以及空穴现象。
同样对于管路来说，凹槽2可以沿管整个布置在与水头损失减少装置产生效果相对应的距离上，以使减小管上的流体摩擦并提高安装容量的效果倍增。
对于管路来说，凹槽2连接或嵌入在管的内壁内，并优选通过自身得到封闭，也就是保持连续，因为流体与管的整个内表面区域接触。
还没有完成的更全面的测试显示，在物体1的表面上存在的凹槽2垂直于物体1周围的流体流动延伸，并展开超过180°的角度，这样在所涉及的区域上产生流体在物体1的周围双重再循环。可以看到第一再循环I位于凹槽2的下游。该第一再循环的距离物体1一定距离的上层在物体周围的总流体流动方向上流动，而第一再循环I的与物体1接触的下层在与上述总流体流动方向相反的方向上出现，使得在该再循环区域中物体1与流体之间的摩擦得到减小。还可以看到在凹槽2上的第二再循环II在凹槽内形成通过自身封闭的流动。
在凹槽2具有其开口的区域上，两个再循环接触并因此必须具有相同的旋转方向，这样就强加上了在凹槽2中发生的并与第二循环的旋转方向相反的第二再循环II的旋转方向。
为了降低这两个再循环相交的区域上的湍流，在凹槽2的下游边缘形成隆起部A。对该隆起部A的形状进行加工以在最大可行程度下降低再循环I和II之间的湍流区域，可以限制损失能量并降低物体1穿过流体的流体动力学阻力。
以通常方式，装置也就是凹槽2和有可能设置的隆起部A影响了在物体周围流动的流体的边界层。在这些条件下，这些元件2和A的尺寸与物体的尺寸相比总是微小或者甚至是非常微小，例如几厘米，而物体1的尺寸达到20米-200米。

Claims (22)

1.一种用于减小因物体与流体相对移动而产生的阻力的装置，其特征在于，在物体的与流体接触的表面之内或之上，并沿大体上位于垂直于流体流动的平面上的连续线，所述装置包括使产生的旋涡的旋转方向沿物体表面的至少一部分得到控制的部件，由此减小流体与物体之间的摩擦力，并因此减小物体所承受的阻力，或者流体所受到的水头损失。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述部件布置在物体上的通常形成湍流的区域的下游。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述部件包括在与流体接触的物体表面上形成的至少一个凹槽。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述部件包括连接在物体表面并与流体接触的至少一个凸出部，该凸出部具有至少一个凹槽。
5.如在前权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述部件布置在与流体接触的物体表面的整个周长上。
6.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述凹槽的横截面具有大体上U或C形形状。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述凹槽相互面对的自由边缘位于与流体接触的物体表面的延伸部上。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述凹槽的相互面对的自由边缘彼此相对偏移，这些自由边缘中的至少一个相对于与流体接触的物体表面偏移。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括其下侧用于粘结在物体上的型材，该型材具有锥形边缘和具有凹槽的厚的中心部分。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，在型材上形成的该凹槽的形状与根据权利要求7或8所述的特征一致。
11.如在前权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述部件对沿与流体接触的物体表面的至少一部分的流体旋涡进行控制。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述部件使沿与流体接触的物体表面的至少一部分的流体旋涡的旋转方向反向。
13.如在前权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置被连接或组合到完全或部分浸入流体内的物体的外表面之上或之内。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该装置被组合到车辆、列车、船、汽车、飞机或固定结构、建筑物、桥、风力涡轮机、塔、或离岸平台中。
15.如权利要求1-12中任一项所述的装置，其特征在于，该装置被连接或组合到流体循环所处的通道的内表面之上或之内。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，该装置被组合到压力管、发动机进气或排气歧管、或流体分布管中。
17.一种装有如权利要求1-12中任一项所述的装置的陆地、航海、或航空运载工具。
18.一种装有如权利要求1-12中任一项所述的装置的通道或管路。
19.一种装有如权利要求1-12中任一项所述的装置的固定结构或机件。
20.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述凹槽(2)的横截面在超过180°角度上展开，该装置在与流体接触的物体(1)的整个表面上延伸，大体上垂直于流体流动。
21.如权利要求17所述的装置，其特征在于，在凹槽(2)的紧下游，隆起部(A)从物体(1)的表面突出并平行于凹槽(2)延伸。
22.如权利要求17或18所述的装置，其特征在于，该装置的存在产生了在凹槽(2)内的流体的第二再循环(II)以及在凹槽(2)下游的第一再循环(I)，第二再循环的旋转方向被设计成使得其距物体一定距离的上层在总流体流动方向上流动，而其与物体(1)接触的下层在相反方向上流动，并且将第一再循环(I)的方向强加于第二再循环(II)的方向，因为在与凹槽(2)开口相对应的区域，两个再循环(I，II)相互接触。
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