CN103321991A - 一种降低汽车、火车、飞机空气阻力的方法 - Google Patents

Abstract

在汽车、火车、飞机、火箭等交通运输工具的表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，降低它们与空气的摩擦力，从而降低它们的空气阻力。运输工具的空气阻力即使降低5-10％，对全社会节约能源和提高运输效率也是巨大的贡献。在电扇叶片或者风力发电机组叶片以及其它高速旋转机械部件的表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，可降低空气阻力，降低噪音。在管道的内壁制造类似高尔夫球表面的凹坑，可降气体或者液体的输送阻力。在摩天大楼、塔、烟囱等高层建筑物外层表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，可降低风力对建筑物的推力。在船舶水下部分的外表面、桥墩等水下建筑物的外表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，可降低水的阻力或者水流对建筑物的冲击力。

Description

一种降低汽车、火车、飞机空气阻力的方法

技术领域

本发明主要应用于交通、运输、航空、航天、航运和建筑业，与机械加工、铸造，以及金属、高分子材料、玻璃、橡胶(轮胎)、建筑材料等材料的制造加工、表面处理技术有关联。

背景技术

汽车速度越快，空气阻力越大。火车，尤其是高速列车的动力主要是用来克服空气阻力。飞机由于脱离了地面，它飞行时所需要克服的阻力，几乎全部是空气阻力。如果能够把这些运输工具的空气阻力降低10-30％，对于全社会节约能源和提高运输效率的贡献将是巨大的。

有资料显示，在试验条件相同的情况下，表面有凹坑的高尔夫球的飞行距离比表面光滑的高尔夫球的飞行距离远30％。高速飞行时，表面有凹坑的高尔夫球的空气阻力比表面光滑的高尔夫球的空气阻力小30％左右。

发明内容

采用在运动(或者旋转)物体的表面，如：产品表面、高层建筑物表面、水下建筑物表面以及管道内壁，制造连续的规则或者不规则凹坑(这种凹坑类似于高尔夫球表面的凹坑)的方法，解决了降低运动物体如汽车、火车、飞机、火箭等运输工具的空气阻力的问题，解决了降低船舶舰艇水下部分的水流阻力问题和降低管道输送气体或者液体的阻力的问题，以及解决了降低风力对高层建筑物推力的问题，解决了降低水流对桥墩等水下建筑物冲击力的问题。具有节能、增速(或者降低风力水力对建筑物的冲击载荷)、增加运输(运载)负荷能力的效果。

技术原理：高速运动时，运动物体表面的凹坑内的流体(气体或者液体)会形成涡流，凹坑内的涡流能够像滚珠一样降低流体与运动物体表面的摩擦力，涡流还能够降低运动物体尾部区域的负压，降低流体阻力。

制造在运动物体(产品)表面的类似高尔夫球表面的凹坑的大小、形状、深浅、规整度，对运动物体在流体(气体或者液体)中阻力的大小有很大的影响。这些影响因素对阻力的贡献，与运动物体的大小、质量、形状、运动物体与气体或者液体的相对速度有关。风洞试验或者水洞试验可以测试不同的相对速度和运动物体体积、形状与运动物体表面的凹坑的大小、形状、深浅和规整度等参数相互作用并影响阻力变化的对应关系。设计人员可以通过试验得到优化的设计参数。可以肯定，直接将高尔夫球表面的凹坑的形状、大小、深浅和规整度移植(制造)到运动物体的表面，可以降低运动物体在流体(气体或者液体)中的阻力。

同一运动物体(产品)不同部位的表面可以选择不同大小、不同深浅、不同规整度，甚至不同形状的凹坑。与气流相对速度越快和空气阻力越大的部位，采用本发明方法降低阻力的效果越明显。在没有与流体形成相对运动或者相对运动很小的表面可以不采用凹坑表面。例如：飞机机翼的前缘表面，制造成类似高尔夫球表面的凹坑，对于降低飞机的空气阻力意义重大，甚至因此可以降低机翼的设计强度。喷气发动机进气口的前缘也是这样。大型飞机的机头与机身、机翼前缘与机身、机翼的上面与下面、机身的腹部与顶部，可以采用不同形状、不同大小、不同深浅、不同规整度的凹坑。而制造在子弹弹头表面的凹坑的大小、深浅显然应该小于高尔夫球表面的凹坑。

推荐的凹坑排列方法是蜂窝状，凹坑形状为圆形，凹坑之间的凸出部分的顶端为球冠面。

各种与气体和液体产生相对运动的产品包括：机动车、非机动车、农用机械、工程机械、非轮式运动机械、轨道交通工具、水面和水下运输工具、飞行器、航天器，高速旋转的机械部件，输送带；建筑物包括：高层建筑物、建设在高处的建筑物、高层建筑物的建筑物附着物、水下建筑物；管道包括：液体管道、气体管道；高尔夫球除外。

把汽车、火车、飞机的外表面制造成像高尔夫球表面一样的凹坑，那么汽车、火车、飞机的空气阻力会大幅度下降，提高运输速度，或者增加运载量，从而节省能源，降低运输成本。

高层建筑物(例如摩天大楼)在大风天气，顶层的位移很大。在高层建筑或者建设在高处(例如：山上)的建筑物表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，可以降低风力对建筑物的横向切力，增加建筑物的抗风能力。高处的球形建筑物或者圆柱形高层建筑物，采用这种方法降低空气阻力的效果明显。

船体(包括舰、艇、潜水艇、鱼雷)的水上部分承受空气阻力，水下部分承受水流(相对运动)的阻力，水上和水下部分的表面分别制造成具有高尔夫球表面一样的凹坑，可以分别降低空气阻力和水阻力。

管道内壁承受气体或者液体的摩擦力，在内壁制造类似高尔夫球表面一样的凹坑，可以降低气体或者液体的输送阻力。

转动机械的飞轮、齿轮、轴等转动部件，都可以通过将表面形状制造成高尔夫球表面一样的凹坑，降低空气阻力或者润滑油等液体阻力。

在螺旋桨、旋翼、推进器、风扇叶片的表面制造成高尔夫球表面一样的凹坑，它们旋转时，流体阻力降低而推力(升力、拉力)增加。

将头盔、护目镜(玻璃、树脂或者塑料材料制成)、鞋、手套、运动衣裤、运动护具的表面制造成凹坑，可以降低空气阻力或者水阻力。例如：速度赛事运动员(赛马的骑手、自行车运动员、一级方程式(F1)赛车驾驶员)的头盔(包括护目镜)、手套、方向盘、护具等。

采用本发明方法降低气体(空气)或者液体阻力的产品包括：汽车、赛车、拉力赛车、越野车、自行车(车身车架车座)、带外壳的自行车、摩托车、人力车、电瓶车、马车、拖拉机、农用机械、工程机械、装甲车、坦克、火车(尤其是高速列车)、地铁列车、轻轨列车、有轨电车、无轨电车、磁力悬浮车、飞机(包括航模)、直升机(包括航模)、飞行器、动力飞艇、动力翼(飞行装置)、飞碟、箭、火箭、运载火箭、气象火箭、整流罩、其它运载工具、探空气球、导弹、飞弹、整流罩、炸弹、炮弹头、子弹头、机器人、军用机械，船舶(包括航模)、艇、舰只、潜水艇、鱼雷；飞行器或者船舶的舵面；头盔、护目镜、运动鞋、手套、运动衣裤、运动护具、各种速度运动头盔(包括F1头盔、摩托头盔、自行车头盔、马术头盔)；飞轮、齿轮、轴、转鼓、皮带轮、皮带、输送带、风扇叶片(包括电机、汽车、电脑、空调等各种电气、机械产品内部的风扇)；风电机组叶片、涡轮叶片、螺旋桨、旋翼、螺旋推进器；风电机组的机头、机身、塔体；泳衣、潜水衣；输水、输油、输气管道(内壁制造凹坑)；泵。

建筑物包括：高塔(尤其是球形塔体和圆柱形的塔体)、摩天大楼、高层建筑物和建筑附着物、建设在高处(例如：山上)的建筑物、烟囱、避雷设备(如：避雷塔、避雷针)、航空警示灯；桥墩、水下建筑、钻井平台、浮标、浮筒、灯塔；风洞、水洞。

车辆、火车或者飞机(包括航天器)的后视镜、前灯、转向灯、受电弓、进气栅、导流板(舵)，轮胎、轮子、轮毂；门玻璃、窗玻璃、保险杠、底盘、底部表面、轴、顶部支架和外挂件。

材料包括：金属蒙皮(壳材料)、贴皮(贴面材料)(包括一面带胶粘涂层的软体膜材料(片材)，另外一面为凹坑面)、玻璃(门窗)。材质包括金属材料、高分子材料、玻璃材料、木材料、纺织品材料、革材料、无机建筑材料。

具体实施方式

在制造汽车、火车、飞机、火箭等产品的时候，采用预制的有凹坑的金属片材、高分子片材、玻璃作为产品的外部材料。

在汽车、火车、飞机、自行车的轮胎、轮子、轮毂的侧面制造凹坑；在采用轮毂替代辐条的自行车轮毂表面设置凹坑；在汽车、火车、飞机的门窗玻璃的外侧制造凹坑。以飞机、列车、汽车的前挡风玻璃为例，玻璃外表面有凹坑，对视线的影响较小，只是刮水器也许要改成毛刷子了。侧面玻璃和天窗玻璃也可以选用外表面有凹坑的玻璃。

至于外表面凹坑的大小、深浅、形状、规整度，对降低空气阻力的大小有直接影响，其选择依据与运动物体的体积、形状有关联，与空气或者水流的相对速度有关联。可以通过风洞试验或者水洞试验获得优化的设计数据。

至于如何在材料表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，具体方法很多，现有技术可以实现。例如金属片材可以通过冲压的加工形式使得其表面具有类似高尔夫球表面的凹坑。然后将这种经过冲压的金属片材用作汽车、列车、飞机、火箭等运输工具的蒙皮。

风力发电机组的塔、叶片都可以在表面制造类似高尔夫球表面的凹坑，尤其是叶片的根部(靠近轴位置)和轴的径向迎风面的头部的表面制造成凹坑形状有利于降低风力对塔身的推力，降低对塔身强度和塔身基础的要求；或者可以通过增加风扇叶片受力面积，增加发电能力。

在金属材料、高分子材料、玻璃材料、木材料、纺织品材料制品的表面，尤其是在这些材料的片材的表面，制造类似高尔夫球表面的凹坑，这些材料可以作为实现本发明技术特征的基础材料。

将高分子材料片材的一面制造成类似高尔夫球表面的凹坑(采用冲压、轧制或者模铸的方法，现有技术)，另一面采用胶粘剂材料涂层，使得片材具有粘贴功能。这种片材可以粘贴到多种产品(例如汽车、高铁、飞机)的表面，使得产品的表面具有类似高尔夫球表面的凹坑。金属(薄片)片材或者其它材料(如：革材料)也可以采用胶粘剂涂层的方法，使之成为快速实现本发明方法的基础材料产品。

Claims (4)

1.一种降低汽车、火车、飞机空气阻力的方法，其技术特征是：

在各种与气体或者液体产生相对运动的产品、建筑物、管道的表面制造出规则或者不规则的凹坑，凹坑的大小、形状和深浅类似高尔夫球表面的凹坑。

2.根据权利要求1，与气体或者液体产生相对运动的表面经过制造具有类似高尔夫球表面的凹坑的产品包括：汽车、自行车、人力车、摩托车、电瓶车、马车、拖拉机、农用机械、工程机械、军用机械、装甲车、坦克车、火车、地铁列车、轻轨列车、有轨电车、无轨电车、磁力悬浮车、飞机、直升飞机、飞艇、飞碟、动力翼、箭、火箭、导弹、飞弹、整流罩、炸弹、炮弹头、子弹头、机器人；船、艇、舰、潜水艇、鱼雷；后视镜、前灯、转向灯、受电弓、支架、进气栅、导流板(舵)、外挂，门窗玻璃，轮胎、轮子、轮毂；飞轮、齿轮、轴、转鼓、皮带轮、皮带、输送带、风扇叶片、电机风扇、空调风扇、风电机组叶片、涡轮叶片、螺旋桨、旋翼、螺旋推进器；头盔、护目镜、运动鞋、手套、运动衣裤、运动护具、泳衣；摩天大楼、高层建筑物和建筑物附着物、避雷设备、航空警示灯、高处建筑物、高塔、烟囱、风力发电机组的塔身和机身；风洞、水洞；桥墩、钻井平台、浮标、浮筒、灯塔；管道；泵。

3.根据权利要求1，一系列材料产品和这些材料的片材产品，其特征是：在它们的表面，或者在它们的一面，经过制造具有类似高尔夫球表面的凹坑；这些材料或者片材，可作为实施权利要求1技术特征的基础材料。

4.根据权利要求1，一种表面有类似高尔夫球表面凹坑的片材产品，它背面具有胶粘剂涂层，可以粘贴和包覆在物体表面，能够降低该物体的空气阻力或者液体阻力。