CN103527575A - 新型高速表面减阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高速表面减阻装置，用以减少物体运动阻力，由若干个减阻单元组成，每个减阻单元包括：轮轴、轴承、转动体，转动体与轴承相连，轴承通过轮轴设置在物体表面。本装置结构柔性，可以适应不同的几何表面。能够明显减小运动物体与周围流体之间的相对运动速度差，具有降低运动物体流动阻力、减少能量消耗且适用范围广泛的优点。

Description

新型高速表面减阻装置

技术领域

本发明涉及流体动力学领域，尤其涉及一种新型高速表面减阻装置。 

背景技术

在流体中，例如空气或水中，受流体粘性影响，高速飞行或运动的物体表面与周围流体存在很大的速度差，这种相对运动会使物体表面流体形成很大的速度梯度，从而产生很高的流动摩擦阻力和很大的能量耗散。例如，在大气层中飞行的导弹由于这种气体动力学产生的动能损失会使飞行器表面产生巨大的摩擦以致高温严重烧蚀。因此，减小运动物体与周围流体的相对速度差，降低表面速度梯度，改善解决由相对运动产生流动阻力大、能耗高的问题十分有意义。 

减少粘性阻力的有效技术需要实现简单和效果明显。目前的技术主要可以归为以下几类： 

1、改善表面结构，例如增加条纹，改变表面凸起等。这类方法会影响流动边界层的结构，从而改善阻力情况。由于结构简单与鲁邦性好，这类方法应用较为广泛，但效果不是十分明显； 

2、采用柔性与可控表面。这类方法在理论上可能根据实际工况而对表面构型做出不同的调整，所以可能有比较好的效果。但实际操作复杂，不易或不可能实现； 

3、增加防护层。对于特殊对象，例如防止高速飞行器表面烧蚀，这是实用的方法。很明显这种方法代价很高； 

4、滑移表面减阻。这类方法有过一些理论与概念研究，主要有： 

Drag reduction with the slip wall,D.Bechet,W.Hage and M.Brusek,AIAA Journal,34(5)pp1072-1074(基于滑动壁面的减阻研究，Bechet,W.Hage and M.Brusek，美国宇航协会期刊34(5)1072-1074页)，该文献公开了下述技术方案：通过附加动力驱动皮带而制造滑动表面以达到减阻效果。但在实际应用上，由于机构复杂或 皮带与转轮之间的由于流动不稳性导致的皮带机械振动问题使得这一方法很难得到实际应用，综合效果可能得不偿失。 

专利公开号为1730950的中国专利，专利名称为：多重活动壁面流体减阻装置，其同样采用上述的附加动力驱动皮带而制造滑动表面以达到减阻效果，该技术方案中可能附加的真空或润滑空间导致的结构复杂或驱动而带来的额外功耗，使得在应用上很难推广。通过皮带制造滑动表面原则上只能适用于非常有限的几何表面。 

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型高速表面减阻装置，以解决现有应用中由于运动物体与周围流体间大的速度差而导致的流动阻力大与能耗高的技术问题，通过简单易行的装置以实现减阻这一重要需求，适应范围广，结构简单易行，同时基于充分的理论研究而很好地控制运行参数使得这项技术具有很好的实用前景。 

为达到上述目的，本发明提供一种新型高速表面减阻装置，用以减少物体运动阻力，由若干个减阻单元组成，每个减阻单元包括：轮轴、轴承、转动体，轮轴设置在物体表面，转动体与轮轴通过轴承相连。 

优选的，所述转动体为圆柱形滚筒、滚轮、滚珠其中的一种或几种的组合，以使得本发明能够适应多种环境的使用需求，其中，滚珠结构尤其适用于流场空间结构随时间变化的工况，对于该种工况能够使物体更好地工作。 

优选的，所述轮轴与物体表面一体成型制成。 

优选的，还包括连接装置，连接装置包括：固定支架、柔性连接装置，固定支架将轮轴牢固的固定于物体表面，柔性连接装置将若干固定支架相互之间连接起来。 

优选的，所述转动体，其表面设置有利于转动体随流体一体运动的装置，比如：凸凹或波纹表面等。 

优选的，所述轴承，其与相邻轴承之间的间距L小于轴承的两倍直径D。 

优选的，所述转动体，其尺寸根据设置在物体表面的位置进行调整，物体表面端部的转动体尺寸可小于物体表面后部的转动体尺寸。 

本发明的工作原理具体如下： 

物体表面设置有本发明所述的新型高速表面减阻装置时，当该物体高速运动时，周围的流体在物体表面会产生很大的剪切力，从而带动转动体转动。由受力分析可知，转 动体的转动将使运动物体与周围流体的表面相对速度减小，从而降低流动阻力。这种装置结构具有很好的适应性，通过对转动体与流体的相互作用研究，在技术实现上得到优化的运行参数。 

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： 

1、本发明减小了运动物体与周围流体之间的相对运动速度差，具有降低运动物体流动阻力、减少能量消耗的突出效果； 

2、本发明的转动体可以采用圆柱形滚筒，以及滚轮或滚珠等多种形状，能够适应不同几何表面，满足不同环境的使用需求； 

3、本发明的装置整体具有柔性结构，具有适用范围广泛以及实用性强的优点。 

附图说明

图1为本发明的转动体为圆柱形滚筒的结构示意图； 

图2为本发明运用于汽车顶部的示意图； 

图3为本发明设置于物体表面单侧的示意图； 

图4为本发明设置于物体表面两侧的示意图； 

图5为本发明的转动体的结构剖视图。 

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。 

实施例1 

如图1所示，本实施例涉及一种新型高速表面减阻装置，所述减阻装置由若干个减阻单元6组成，每个减阻单元6包括：转动体1、轴承2、轮轴3、固定支架4和柔性连接装置5，本实施例中的转动体1为圆柱形滚筒，转动体1通过轴承2与轮轴3相连，轮轴3通过固定支架4安装在物体表面，相连减阻单元之间的固定支架4通过柔性连接装置5相连。 

本发明的具体实施中，理想的减阻效果取决于运行参数的设置，所述运行参数包括：轮轴的尺寸、轮轴的间距以及如何安排轮轴的空间位置等。这些核心参数取决于不同的运行条件，例如流动的雷诺数、流体密度等。理论上说，轮轴表面的转动速度受到轴承的摩擦力矩的影响。 

所以具体选择轴承需要考虑运行条件。例如在空气中如果运行速度不是很高，轴承 的要求相对较高；如果飞行速度很大或在大密度的液体中（例如水），轴承的要求相对不高。轴承的间距L对整体性能有很重要的影响，一般情况下最优轴承间距的范围在两倍的转动体直径D之内。为实现最优减阻效果，转动体1的尺寸设计需要适应流动边界层的发展，例如可能在表面端部使用较小尺寸，而在后部尺寸较大。 

如图2所示，本实施例中转动体设置为圆柱形滚筒，可以放置于汽车的车顶，以使得本实施例装置可以更好的适应车顶气流流动方式。 

为了使转动体更好地随流体一起运动，可以适当增加转动体1的表面粗糙度或采用其他结构，例如凸起，小肋片或波纹表面等。 

实施例2 

如图3、图4所示，本实施例涉及一种新型高速表面减阻装置，所述减阻装置由若干个减阻单元6组成，每个减阻单元6包括：转动体1、轮轴3、轴承2，本实施例中的转动体1为滚轮或滚珠，转动体1与轮轴3通过轴承相连，轮轴3设置在物体表面11。 

当物体高速运动时，周围流体15由于粘性将在物体表面11产生很大的剪切力，从而带动转动体1转动。由受力分析可知，转动体1的转动使运动物体与周围流体15的表面相对速度减小，从而降低流动阻力并减少能量消耗。 

如图3、图4所示，分别是本实施例装置设置在运动物体表面11单侧、两侧的示意图。实际应用中，根据具体的运动物体类型及应用环境选择新型高速表面减阻装置的设置方式，如安装位置及数量等。具体的，轮轴3与物体表面11采用螺接连接或一体成型制成等方式进行固定，但是，本实施例并不具体限定轮轴3与物体表面11的连接方式，例如，还可以采用铆接、焊接等方式进行固定，现有技术中任何能够实现将二者连接的方式均应落在本发明的保护范围内。 

实施例3 

本实施例在轮船浸入水体的表面上采用与上述实施例1或实施例2相同结构的装置。 

通常，轮船的速度并不是很高，但由于水的动力粘性系数较空气大很多，所以本发明减阻结构的减阻效果十分明显。在本实施例中，转动体在比较平滑的表面可以采用滚 筒结构，在部分比较弯曲的浸水表面部分则可以采用滚轮结构。 

实施例4 

本实施例在高铁、汽车等高速运动物体的部分表面上采用与上述实施例1或实施例2相同结构的装置。 

本实施例的应用环境是实施本发明减阻结构的很理想的应用环境。由于运动物体大部分表面平滑，并且，在大部分时间内运动稳定（没有频繁的停车与启动），所以，转动体可以采用滚筒结构。 

实施例5 

本实施例在如飞机、弹体等高速飞行物体的表面，视物体的具体情况而定可以附加安装或与运动主体集成为一体上述实施例1或实施例2相同结构的装置。 

该实施例的应用环境中，由于物体运动速度极大，尤其对于受空气摩擦而可能产生表面烧蚀的超高速飞行物体，本发明的减阻结构能够极大地提高其总体性能。本实施例中，由于物体表面较为弯曲，并且流体环境复杂多变，所以，优选的转动体采用滚轮结构或滚珠结构。例如对于流场空间结构随时间变化的工况，滚珠可以较为自由灵活地产生不同转向以减少摩擦阻力。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。 

Claims (7)

1.一种新型高速表面减阻装置，用以减少物体运动阻力，其特征是，所述新型高速表面减阻装置由若干个减阻单元组成，每个减阻单元包括：轮轴、轴承、转动体，轮轴设置在物体表面，转动体与轮轴通过轴承相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，所述转动体为圆柱形滚筒、滚轮、滚珠其中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，所述轮轴与物体表面一体成型制成。

4.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，还包括连接装置，连接装置包括：固定支架、柔性连接装置，固定支架将轮轴牢固的固定于物体表面，柔性连接装置将若干固定支架相互之间连接起来。

5.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，所述转动体，其表面设置有利于转动体随流体一体运动的装置，为凸凹或波纹表面。

6.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，所述轴承，其与相邻轴承之间的间距L小于转动体的两倍直径D。

7.根据权利要求1所述的一种新型高速表面减阻装置，其特征是，所述转动体，其尺寸根据设置在物体表面的位置进行调整，物体表面端部的转动体尺寸可小于物体表面后部的转动体尺寸。

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