CN1596208A - 在物体上产生势能的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用流体动力效果在一个物体上产生势能的方法和装置，由该方式获得的力对于船、潜艇、飞机和飞船的推进和操纵是有用的。被静止地浸入流体中的物体到处受到相等的压力，一个靠近物体一侧的流体流将减小局部压力并在物体上产生一个势能，当前这是通过在流体中移动物体来进行的，参考飞机机翼。可以通过在物体一侧上建立一个流体流或多个流体流来产生势能，被铰接到飞机的物体对于飞机的升起、推进和操纵是有用的，并可以使它们独立于用于升起和操纵的速度，对于潜水艇的情况是相同的。飞船和远洋船可以被如此设计，就是使它们的推进物体被结合到它们的形状中。从被放在每个物体的滞止线附近的管子中的喷嘴、孔或缝隙，流体流被产生，从而确定了其前缘。在一个船上使用该技术，该技术减弱了其船首波并消除了与螺旋桨推进相关联的动力学损失，增强了操纵力和操纵精确度。
Description
技术领域
本申请涉及一种用流体动力效果在一个物体上产生势能的方法和装置，由该方式获得的力对于船、潜艇、飞机和飞船的推进和操纵是有用的。
背景技术
流体动力学涉及流体流与其邻近流体或物体之间的力的关系。流体流将根据其速度和质量密度传输力。
在流体流中或其周围，压力被减少使得流体流和其周围的流体的总能量不变。这就是柏努利(1)描述的原理。
流体流的能量等于静态压力差的势能。压力用帕斯卡来量度；而流体流的能量是1/2ρv2，也用Pa来量度。它们的等价关系可以看成Pa＝Nm-2＝Jm-3＝W/m3s-1，流体动力效果是流体的质量密度和其速度平方的函数。
流体流可以被看作一个压力矢量。由此，一个压力差垂直于流体流的方向传输，产生一个力，参照×E＝-B/t(J.C.麦克斯韦)。能量交换矢量的量度是以一整个给定时间上相互作用的积分计算的。
流体动力原理不同于牛顿三个定律中描述的运动(动力学)原理。在技术应用采用的流体机构中，应保持留意这两个原理的不同本质，它们设定不同的约束条件并导致不同的技术结果。动力学技术的物理公式和技术内容应该概念上保持相互区分开，并且也与流体动力技术的区分开。
由反作用装置获得的力是一个加速质量与其速度的乘积：F＝m·a，或单位时间的质量与其速度的乘积：F＝m·t-1·v。
由流体流的压力差获得的力是相对于未扰动流体的压力差乘以其作用的整个表面面积。这里，流体的质量密度ρ是一个因素F＝Δp·A；或F＝I/2ρ·v2·A，流体动力是流体流的速度平方的函数。
桨和尾鳍是反作用装置。为了流体动力的技术应用，需要一个轴向安装的反作用装置以便吸收推进动量，它可以是一个推进器、火箭、喷嘴或喷气发动机。
尽管流体流被用来通过减少其周围流体的压力产生动量，但是由于两者方向彼此垂直，对于产生反作用力是没有用的。
机翼的提升力是通过其移动将其遇到的空气分开并因而形成两股气流产生的。因两股气流沿着机翼的两侧，它们获得不同的行程和速度。机翼通过气流的横向压力差被提升，由于飞机的速度，当压力侧和吸附侧两者都暴露于高速空气下时，该横向压力差是被大大减少压力的相当小的差。
机翼的一部分提升力是由机翼的迎角(参照滑翔机的下沉)引起的气流竖直分量产生的。
客机对流体力学技术应用中的动力需要比动力学的低。在开始时，为反抗重力加速度提升飞机，其推进力约为需要作为竖直反作用力的百分之四十，参考牛顿第三定律。在11000米高度航行时，飞机的推进力相当于比所需竖直反作用力的百分之二十五小。这不是暗示牛顿的第三定律无效。虽然不打算对流体动力学进行描述，但流体动力不适于在属于流体机构动力部分的模型中进行描述或计算。
由当前技术中采用的这个原理所获得的力现行是通过循环模型、作为向心力mv2R的反作用力、或通过柏努利原理描述的方程进行计算的。这三者是计算模型，即工具，而柏努利方程是关于真实性的特别属性的理论，即假设。
该原理在一个挪威专利申请(3)中被提到；并且是一个被授予专利装置(8)的功能原理。在实际技术中，它构成机翼的部分功能。
从以低速增加飞机提升为目的的实验中得知该原理的应用。用一个扁口喷嘴，在喷嘴和被吹表面之间吸入附加的气流。与该气流的反作用力相比，达到1.37的推力增强(5)。然而，该装置还不是最佳的，当气流具有其靠近表面(参照机翼)的最高速度时，达到更高的效率。以同样的计算方式，一个客机具有2.5-4的推力增强。
为一技术目的的最佳能量变换预先假定物理变量的不同函数在装置中是分开的。这正是所见到的瓦特在蒸汽机气缸外放置冷凝器；并且它是当内燃发动机的压力通过一个泵被转换成流体中的压力时应用的原理。
除了被动地通过在流体中移动物体来产生流体流差，它也可以主动地通过使流体在物体上移动来产生。于是，通过仅仅在物体一侧上形成流体流可以产生势能。基于这种原因，将流体动力原理应用到船舶用途和设计具有除了飞机现行所用属性之外的飞机。
围绕处于静止状态的船的水处于流体静力平衡。水压等于动力势能：Pa＝Nm-2＝Jm-3。在给定的深度处的静态压力是恒定的。处于开放的流体中的静态压力的任何操纵一定是间接的、通过动态压力的变化的。技术上，这种操纵通过引入水流发生。在飞机或飞船中，是采用气流。
靠近船舶的一股或多股流体流会通过将局部静态压力降低到由柏努利方程算出的水平扰乱平衡。这等同于减少整个被流体流冲刷的船舶表面部分上的局部力，因而释放了邻近流体的局部势能。
与船舶相对侧处未受干扰的压力结合，连续流体将产生关于势能的压力差。通过给船舶一个动量，该压力差将释放其势能。
流体动力式产生的动量引向垂直于流体流的方向。它对于提升和推进是有用的。
当物体移动时，其相对侧即未受冲刷的一侧上的速度将产生一个减小的压力和一个伴随力。只要该压力的减少不大于周围压力的，就会有一个推动该物体的净力。
这里所述的装置是一个产生以下技术效果的简单装置：通过在船舶周围流体中产生一个压力差从而释放其部分势能并使该部分势能用于提升或推进。不可能参考任何已发表的实验或理论基础计算流体中的能量分布、其力或其效应。在参考文献中具有关于流体动力技术的基本关联性的著作(4，7)，其它相关信息将在高等进修的课本中发现，例如海上流体动力学、旋转机械和热力学。
I.具体说明
本发明涉及一种通过主动冲刷物体的一侧或多侧、从而建立一个低压区域、在一个物体上产生压力差的方法和装置。因而压力差是在低压区域和物体的相对侧之间造成的。
根据本发明的方法在权利要求1中描述，其系统在权利要求2-11中描述。
参考文献5中描述的装置不可能导出这里描述的装置。这是从现行技术中运行的例如机翼、推进器、泵和涡轮等流体机构的原理所见而间接导出的。额外加到所观察的原理上的是可旋转管和靠近冲刷等区别性特征。
冲刷的效果是一个表面上的压力被减小。结合物体相对侧上的压力，暴露出一个力，对提升是有用的。持续的冲刷产生一个对推进和操纵有用的动量。如上面看到的，对于产生一个力该方法比反作用力装置更好。
整个机翼上的空气速度差是百分之五到百分之十。只要飞机速度在一个临界值之上，整个机翼上的速度差的流体动力势能，如上所述，比起一反作用力可产生的，具有更多的动力效率。
根据这里提出的方法的技术性产生的流体流具有限制到声音的速度，即使对于相当慢的飞机也如此。因而产生一个更大的提升力比率是可能的。在该限制之内，升力将依赖被使用的动力，并允许飞机的竞争性速度。
通过使升起物体向前倾斜，它被同时用来推进和升起。由于喷气发动机的效率不是非常高的，所以通过一个倾斜的、受冲刷的、升起的物体的水平矢量产生的推力将更有效。这将使慢的和低速飞机成为可能。结合具有流体动力升起和推进所需的较小发动机安装的直升机的多功能性，被可纵向和横向倾斜的物体操纵的优点将是巨大的。
在受浸表面上的摩擦力和粘滞阻力出现在各流体流和表面之间的每一个接触点处，因此它们在船上是不可避免的。
阻力的两个其它分量在牵引一艘船时被看到：一个前部升高的压力和一个后部减少的压力。通过使用一个推进器，通过其转轮使其加速之前吸水，在船尾周围的压力被极大地减小，产生一个相反于船向前移动的力。在前面，船首波引起一个增大的压力，它是为从船的行线上排开水所需要的能量。
这两个分量，船首波和推力减额部分，现在被看作被结合到船的推力的动力学阻力，在绝大多数的船中，它们一起消耗了百分之三十到四十五的轴功率(2，6)。
它们也被看作由推进器导致的普通的技术损失，除了后部减压的一部分之外，它们没有被同样地结合到船的推进上。
由于推进器的反作用力的使用将一系列的约束赋予船的形式和性能，所以现在的船的推进状态是部分最优化中的一种。这些同样被认为是船的推进条件，参考相关文献，例如参考文献2和6。用于计算动力、速度和推进器的假定最佳性质的模型是完全根据经验的并且与物理学没有多少关系。为了预测船的性能，对船的模型进行试验；并且船的模型必须具有某个尺寸的以便克服比例因数的不精确性。
推进器自身是一个次佳的反作用力装置。基于物理作用，设计一个最优的推进器是可能的(9)。然而，减少被结合到反作用推进上的阻力的两个分量是不可能的。
对于任何在流体中移动或反抗重力加速度保持的物体来说，在施加的动力和产生的动量(或第一质量动量)之间对于飞机的同一关系是有效的。与反作用力相比，流体动力地产生的力是更有动力效率的；并且它没有在船的设计和性能上施加多少约束。
对于船来说，产生流体流的压力差具有超过船两倍的速度。因为被涉及的表面更大，所以通过冲刷船首，由在船首和船尾的纵向突出之间的压力差产生的力将高于可通过推进器获得的力。该动力被产生而不会有象推进器那样的效率固有损失，参考推进器尾流的湍流。
通过该技术，船被变成其自身的推进装置。
一种在船首上产生流体流的已知方式是使用多个喷嘴(3)。一种技术上更有效的方式是将多个喷嘴放在两个被形成为管状的压力容器壁面中，所述压力容器位于压力将被减小的物体表面的滞流线处或附近。利用每个管子中的一行喷嘴，流动的流体被分布在该表面上。通过使管子可旋转，流体流的反作用力将有益于可被同时执行的制动和转向。即使对于巨大的船，制动也将是可能的。
在远洋船上，由于船首被形成得象一个垂直的、圆形的半圆柱或象两个垂直的半圆柱，该两个半圆柱为了船而具有一个足够的中断，所以两个管子被放在船首的中部上以便在船首的曲面上分布流体流。管子的位置确定这两个负压表面的前缘，船的后部纵向突出确定受压侧。
管子被一个在前的垂直体保护，以便被其转向的流体流将会在冲刷流遭遇船首的线上或该线附近遭遇船首。
具有精确操纵需要的船和渡船使它们的船尾形成得象船首，具有喷嘴的管子被相应地安装，通过将管子向前旋转90度或通过冲刷船尾来执行制动。
在飞机上，曲面或具有一个曲面的可移动物体被用来自管子的空气流冲刷，管子被放在它们的滞止线附近，为了防止遭遇的气流跟随着可移动物体的受压侧，一个板被铰接到其前缘并通过若干减震器的帮助被防止颤动。
被压力差产生的力对于升起、推进和操纵是有用的，在飞机上，推进和操纵通过轴向和横向倾斜被铰接的机翼而获得，因而，使用势能矢量的垂直和水平分量。
船可以被解释为两个被放在一起的机翼，以便它们的负压侧形成船首和船侧，参见附图。船相应于机翼受压侧的部分是船尾的纵向突出。
该方法将带来一系列的优点：
飞机能被制造得很小，具有一个较完整的物体，并且几乎没有噪声。
船和飞机的横力将比可由方向舵获得的大得多，使有效的转向成为可能。
飞机将被制成悬浮、在空气中制动、以急弯飞行、当场转向、侧向飞行和从小的空地上垂直着陆和起飞，飞机将容易被保持在一个竖立位置中。
动力需求将比直升飞机低得多。
在船上，结合纵向移动或独立于纵向移动的侧向横移的效率将高于横向作用的推进器的效率，因为它可以通过原动力的全部动力来执行。
用船首和船尾的喷嘴，将整个船侧向横移(摇晃)和使其当场旋转(偏航)是可能的。
精确的转向将使通过河流、海峡和运河更容易，在不会由于使用舵而将船尾推出路线的情况下沿一个精确的路线行进将是可能的，沿海商船将能不摇摆地操纵，并且即使在狭水域中也能走得很快。
由于船首波是可忽略的，所以有一个低的船首涡流，使在不危害到海岸或小船的情况下高速通过河流、海峡和运河成为可能。
该装置可以被用于肥型船上，肥型船相对于它们的体积具有较小的润湿表面和较小的钢重，使用现今不适用的船型系数是可能的，设计一个相对于其甲板面积或其容积和载重量而言具有较小的吃水量的船也是可能的。
用以柴油发动机发电的动力装置或燃料电池，船的容积的最佳使用将是可能的。
该装置基于已知技术，在海上使用离心泵，因而喷水嘴是推进装置的唯一的新部件，从泵电路除去粒子是在海上的日常工作，该装置容易被保养。
没有使电动机或泵超载的风险。
该装置呈现高度的安全性，与推进器相比，管子和喷嘴不容易损坏，因为它们既不突出也没有运动的附件。
使发动机和泵与船体分离将是可能的，这将阻止电动机噪音的传播和船上的振动。
没有象那些在船尾由来自推进器的压力差产生的振动，因为振动迅速在水中衰减，所以喷嘴将不会产生任何低频能量，而是仅仅产生高频的声音，该高频声音处于很短的范围。
因为它可能在到达码头时在船尾制动，所以减少码头侵蚀将是可能的，在渡船运营中，码头侵蚀有时会成为一个问题。在离开时，首尾同型渡船在船首端处被冲刷。
由于绝大多数渡船在一侧是开放的，所以双体船的使用将是可能的。双体船在排水量、吃水、负载量和速度之间具有有利的关系，在每端中的两个船首门闸将使使用现有的渡船码头成为可能。
与现在单独通过水平舵可能达到的相比，潜水艇可以沿着一个较陡的角下潜。
参考文献：
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Claims (11)
1.通过使用增压的流体流在一个物体上产生势能的方法，所述增压的流体流来自物体的一个或多个表面上的喷嘴、孔或缝隙，其特征在于，增压的流体作为流体流从物体前缘处的一个或多个表面上的喷嘴、孔或缝隙排出，在物体上形成前缘和后缘之间的一个压力势能。
2.通过使用来自物体一个或多个表面上的喷嘴、孔或缝隙的流体流在物体上产生势能的系统，其特征在于，一个管壁上带有喷嘴、孔或缝隙的管子沿物体的一个边缘设置，从而确定该物体的前缘，流体流自前缘靠近物体的一个弯曲表面处流动，降低该表面上的压力，对于其相对的、任意成形的表面形成势能，从而一个或几个自由的、相互构造在一起的物体或带有一容器的物体产生合力，该合力对于升起、转向和/或推进所述的船是有用的，所述物体形成船的若干部分或船体附属体，或者它们被铰接到船上。
3.如权利要求权利要求2所述的装置，其特征在于，紧紧跟随的流体流所施加的表面有单一弯曲性和凸性。
4.如权利要求权利要求2-3所述的装置，其特征在于，将所述凸轴放置为垂直于所述流体流的方向。
5.如权利要求权利要求2所述的装置，其特征在于，管子可绕其轴线旋转，因此可以获得侧向力和轴向力。
6.如权利要求权利要求2-4所述的装置，其特征在于，远洋船的前部部分被形成得象两个平的对称的物体，该两个物体具有弯曲部分的垂直轴线并且一起形成船首，船首象一个垂直的圆形半圆柱或象两个垂直的半圆柱，该两个半圆柱每个都具有一些其它的轮廓。
7.如权利要求权利要求5-6所述的装置，其特征在于管子的垂直位置沿着船首的中央。
8.如权利要求权利要求2所述的装置，其特征在于通过被放在管子之前并与它们平行的物体，管子得到保护，以便逆着船的流体流被转向到那些升起、转向和/或推进物体的线上或离管子稍远的地方，来自管子的流体流在所述线上遭遇那些物体。
9.如权利要求权利要求2-6所述的装置，其特征在于船尾被象船首一样地形成。
10.如权利要求权利要求2-5所述的装置，其特征在于用来获得垂直、纵向和横向移动以及用来操纵潜水艇、飞机和飞船的势能通过在物体上的流体流而被产生，所述物体在两个平面上被连接或铰接到潜水艇、飞机和飞船上。
11.如权利要求权利要求2-10所述的装置，其特征在于被连接到航天飞机的物体的受压侧配备有若干板，这些板被铰接到物体的前缘并使这些板的运动被减震器衰减。
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