CN106741872A - 流体中运动物体阻力降低装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种流体(空气或水)中运动物体阻力降低装置，主要由微型增压器，电动机，驱动电源，节流控制器构成。通过在运动物体头部喷射高压流体，改变局部边界层流体的流动方向和速度，进而降低作用在物体头部和躯干前部表面上的运动阻力。此外，通过调节微型增压器出口的开启程度，可以改变物体运动的方向。本装置可用于各种导弹，飞机，鱼雷，潜艇等，以提高其行驶速度，或增加其航程，或节省燃料。

Description

流体中运动物体阻力降低装置

技术领域

本发明涉及流体(空气或水)中运动物体局部表面阻力的降低。

背景技术

空中飞行的各种物体都会受到空气阻力的影响。空气阻力的大小一般与物体的有效面积，空气密度，及物体飞行速度的平方成正比。因而，在设计各种飞机和导弹时，往往根据其巡航速度(亚音速、跨音速、超音速、高超音速)，通过优化其头部、机体和机翼的形状，改善其空气动力学特性，从而降低空气阻力。

在水下行驶的各种物体都会受到水阻力的影响。由于水的密度远大于空气，同一个物体以相同的速度在水中行驶或在空中飞行，其受到的水阻力可达空气阻力的数百倍以上。因而，各种水面舰船、潜艇和鱼雷的行驶速度很难提高。为了减少物体在水中运动时的阻力，提高鱼雷和舰船的行驶速度，近几十年来，各主要军事大国都投入了巨资，对超空泡现象进行了深入研究和开发利用。

流体力学的边界层理论对流体在物体表面的运动机理进行了深入研究。在飞机设计时，为了降低空气阻力和提高升力，一些机型通过对机翼表面进行局部吹气，来维持边界层的层流，延缓分离点和紊流的形成。从而，降低空气阻力。

上述的对结构造型的空气动力学优化设计，机翼表面局部吹气，超空泡技术研发，都是通过改变运动物体表面的流体边界层的特性，以便达到降低物体运动阻力，提高行驶速度，和增加航程的目的。

发明内容

本发明提出一种流体(空气或水)中运动物体阻力降低装置，主要由微型增压器，电动机，驱动电源，节流控制器构成(见图2A)。其中，微型增压器可以是轴流式，离心式，复合式，或其它结构形式；也可以具有一级，两级，或多级增压结构。驱动电源包括电池，或发电机，电源控制器，及信号转换器。

本装置提供一种降低物体在流体中运动时受到的阻力的办法。通过在运动物体头部喷射高压流体，形成一个高速流动的屏蔽层，不但可以隔离或缓冲运动物体头部前方的流体对头部表面的冲击(撞击)；而且，可以改变运动物体头部边界层流体的流动方向和速度，进而影响头部表面的压力分布，降低作用在运动物体头部和躯干前部表面上的运动阻力。

高压流体是由电动机驱动的微型增压器产生的。当物体在空中飞行时，或在水下航行时，电动机启动，带动微型增压器工作。微型增压器入口周围的部分空气或水被吸进微型增压器，通过增压过程，产生的高压空气或高压水通过位于微型增压器后部的出口喷出(见图2B)。

微型增压器的出口形状和位置分布，应该与运动物体头部的具体结构和希望流体的流动路线分布相匹配。对于圆形平面、半球面、圆锥形的运动物体头部结构，微型增压器的出口可以是一个整圆出口，以便喷出各向均匀分布的高压流体，在运动物体头部形成一个完整的圆形屏蔽层(见图3A)；也可以是多个对称分布的弧形出口，以便喷出对称分布的高压流体，在运动物体头部形成多个间隔的扇形屏蔽层(见图3B)。

对于形状不完全对称的运动物体头部结构，如大飞机(民航客机，运输机)的头部，左右对称，但上下不对称，微型增压器的出口可以是一个或多个弧形出口，以便喷出不完全对称分布的高压流体，在运动物体头部形成一个或多个扇形屏蔽层(见图3D)。

当物体在流体(空气或水)中高速运动时，其头部承受的压力阻力会急剧增大。因而，进入微型增压器入口的流体本身已经具有相当大的压力，再通过涡轮(或其它方式)进一步增压，便可从其出口处获得所需的喷出流体的压力。

另一方面，通过调节驱动电源改变电动机的运行状态，提高微型增压器的转速，可以增加被吸入流体的流量。进而，在其入口处形成一个相对的负压区，不但可以大大降低作用在微型增压器上的阻力，甚至形成一个向前拉的吸引力；而且，也会对微型增压器周围流体的压力分布产生有利影响。

根据运动物体的尺寸大小和运行速度，及流体的物理特性，通过选择匹配的微型增压器型号，合理设计微型增压器出口的大小、形状、分布、和流体喷出方向，优化运动物体头部表面的结构形状，适当调节电动机的转速来改变高压流体的喷射压力和流量，可以在运动物体的头部表面形成沿切面方向高速流动的边界层，从而影响头部表面的压力分布，以达到进一步减少阻力的目的。

此外，通过驱动节流控制器的挡片，可以调节微型增压器的某个出口的开启程度(全开，半开，全闭)，从而打破喷出流体反作用力的对称分布，同时改变运动物体头部表面阻力的分布，以便达到改变物体运动方向的目的(见图4B)。

当微型增压器的一个出口喷出的流体相对减少时，对应的反作用力就会减小；并且由于该处物体头部表面的局部边界层发生变化，作用在头部表面相应位置上的阻力增大；因而，运动物体必将朝该出口的对应方向偏转。

附图说明

图1A是静止时原有物体的前部结构示意图。

图中：1--物体的躯体部分；2--物体的头部。

图1B是运动时原有物体的前部结构示意图。

图中：1--物体的躯体部分；2--物体的头部；3-作用在物体头部的流体。

图2A是静止时带有阻力降低装置的物体前部结构示意图。

图中：1--物体的躯体部分；2--微型增压器；3-电动机；4--节流控制器；5-驱动电源。

图2B是运动时带有阻力降低装置的物体前部结构示意图。

图中：1--物体的躯体部分；2--微型增压器；3-电动机；4--节流控制器；5-驱动电源；6-流体被吸入微型增压器；7--微型增压器周围的流体；8--微型增压器喷出的高压流体。

图3A是微型增压器一个整圆出口产生的屏蔽层形状示意图。

图中：1-微型增压器的一个整圆出口；2-喷出的高压流体呈圆盘形各向均匀分布。

图3B是微型增压器多个对称分布的弧形出口产生的屏蔽层形状示意图。

图中：1-微型增压器的多个对称分布的弧形出口；2-喷出的高压流体呈多个扇形对称分布；3-高压流体扇形之间的间隔。

图3C是微型增压器不完全对称分布的一个弧形出口产生的屏蔽层形状示意图。

图中：1-微型增压器的一个弧形出口；2-喷出的高压流体呈一个扇形展开；3-微型增压器的后部封闭部分。

图3D是微型增压器不完全对称分布的多个弧形出口产生的屏蔽层形状示意图。

图中：1-微型增压器的多个弧形出口；2-喷出的高压流体呈多个扇形展开；3-微型增压器的后部封闭部分；4-高压流体扇形之间的间隔。

图4A是正常情况下微型增压器喷出的高压流体对称分布示意图。

图中：1-运动物体头部的外圆面(投影)；2--微型增压器底圆面(包括出口)；3-各向对称分布的高压流体。

图4B是节流控制器调节后微型增压器喷出的高压流体非对称分布示意图。

图中：1-运动物体头部的外圆面(投影)；2--微型增压器底圆面(包括出口)；3-非对称分布的高压流体。

图5A是正常情况下微型增压器一个出口喷出的高压流体示意图。

图中：1-出口(全开)；2-节流控制器的挡片(正常状态)；3-高压流体(均匀展开为一个连续的大扇形)。

图5B是遮挡状态下微型增压器一个出口喷出的高压流体示意图。

图中：1-出口(部分被遮挡，部分敞开)；2-节流控制器的挡片(突出状态)；3-高压流体(分离为二个隔开的小扇形)。

具体实施方式

对于各种巡航导弹，应该根据其飞行的速度(亚音速，超音速，高超音速)，配置不同类型的微型增压器，以便尽可能地降低空气阻力。另外，为了防止发生高温变形，应该采用特种材料制造微型增压器。

对于各种弹道导弹，也可以考虑在其头部安装本阻力降低装置。当其在大气层中飞行时，可以降低空气阻力，或改变运动方向。

对于各种飞机(大飞机，小飞机，超音速飞机)，也可以考虑在其头部安装本阻力降低装置，以便降低头部的空气阻力，节约燃料，或增加航程。

对于水下运动的物体，如各种鱼雷，各种潜艇，快速舰艇的水下部分，可以在其头部安装本阻力降低装置，从而降低其头部的水阻力，提高航行速度，或增加航程。在进行水中微型增压器的结构设计时，应该考虑超空泡现象的影响。此外，如果由此带来附加噪音，可以通过航程设计或其它方法尽可能地降低其危害程度。

Claims (6)

1.一种流体中运动物体阻力降低装置，包括微型增压器，电动机，驱动电源，节流控制器，其特征在于微型增压器喷出的高压流体形成一个高速流动的屏蔽层，导致运动物体头部边界层流体的流动方向和速度发生变化，影响头部表面的压力分布，从而降低作用在运动物体头部和躯干前部表面上的阻力。

2.根据权利要求1所述的一种流体中运动物体阻力降低装置，其特征在于微型增压器后部有一个整圆出口，以便喷出各向均匀分布的高压流体，在运动物体头部形成一个完整的圆形屏蔽层。

3.根据权利要求1所述的一种流体中运动物体阻力降低装置，其特征在于微型增压器后部有多个对称分布的出口，以便喷出对称分布的高压流体，在运动物体头部形成多个间隔的扇形屏蔽层。

4.根据权利要求1所述的一种流体中运动物体阻力降低装置，其特征在于微型增压器后部有不完全对称分布的出口，以便喷出不完全对称分布的高压流体，在运动物体头部形成相应的扇形屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的一种流体中运动物体阻力降低装置，其特征在于通过驱动节流控制器的挡片，调节微型增压器的某个出口的开启程度，从而改变物体运动的方向。

6.根据权利要求1所述的一种流体中运动物体阻力降低装置，其特征在于通过提高微型增压器的转速，增加吸入流体的流量，在其入口处形成一个相对的负压区，从而降低作用在微型增压器上的阻力，甚至形成一个向前拉的吸引力。