專利名稱：多重活動壁面流體減阻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減少流體摩擦阻力的減阻裝置。
背景技術(shù)：
長期以來人們尋找減少流體阻力方法時，注意力以往只集中和局限在型體方面，即探索物體的流線型方面，現(xiàn)在的高速列車、導(dǎo)彈、汽車等空氣減阻設(shè)計仍停在這一階段。創(chuàng)立邊界層理論后，經(jīng)多年發(fā)展，按減小粘性阻力的不同途徑可將減阻方法大致劃分為四類，一類是局部改變邊界附近流體的方法，如氣墊船技術(shù)、空氣潤滑技術(shù)，其減阻力潛力是可觀的，但在全部邊界實現(xiàn)粘性和比重都大不相同的粘性流體的置換的具體技術(shù)與工藝措施仍難以完全解決，推廣有困難，目前主要應(yīng)用于交通與機械工程領(lǐng)域。二類是通過邊界層溫度的改變和控制，或通過吸氣等措施以改變層流邊界層流速分布以減少粘性阻力，這在大量專著中已有詳細(xì)探討，其減阻效果有限。三類用高分子稀液注入附壁區(qū)減阻，可用于原油、水等流體減阻，但高分子聚合物價格昂貴，易失效，且減阻效果有限。四類是采用適當(dāng)?shù)倪吔绮牧?彈性材料)來使邊界充分柔順，以使它易產(chǎn)生動力響應(yīng)，隨層流附面層T-S波波動而振動，這是由仿生學(xué)研究發(fā)展起來的，但其減阻效果仍然有限。這些減阻方法在各種減阻力學(xué)教材及專著中均有大量論述。

發(fā)明內(nèi)容
目前的各種減阻方法大都有各自的局限與不足，如有的工藝技術(shù)復(fù)雜，有的價格較昂貴，且大都減阻效果有限，只能應(yīng)用于某些領(lǐng)域等，本發(fā)明則依據(jù)與目前各類減阻方法完全不同的減阻原理提出一種新的減阻方法，并據(jù)此提供實現(xiàn)該方法所需的裝置，該裝置具有構(gòu)造簡單、安裝操作方便、效果顯著、造價經(jīng)濟，且可應(yīng)用于幾乎所有領(lǐng)域流體減阻等特點。
一般我們在實際工程運用中所遇到的流體運動狀態(tài)大都是紊流，由流體力學(xué)知識可知，當(dāng)流體(空氣、水、原油、化學(xué)溶液等)沿一固定邊界流過時，不論其是屬內(nèi)流還是外流或其它運動形式與邊界形式更為復(fù)雜的運動，其與邊界的摩擦力公式都可最終表述為Rf＝Cf×1/2ρV2S的形式，此處速度是流體與邊界面的相對速度，由此公式可見，如減少流體與邊界面的相對速度，就可使流體摩擦阻力成幾何級數(shù)遞減，但通常邊界面就是物體表面，減少流體與邊界面的相對速度，就意味著減少物體或流體運動速度，這與使用要求不符。如果我們把邊界面與物體表面分離，使其能與流體共同運動，或者說是在物體表面與流體之間安裝一個活動壁面裝置，裝置與流體接觸側(cè)的活動壁面可隨著流體運動方向運動，在到達端點后轉(zhuǎn)向進入回程，從裝置內(nèi)返回起點，完成一個循環(huán)，由于與流體接觸側(cè)的活動壁面此時承擔(dān)了邊界面的角色，層流邊界層和層流附面層在此產(chǎn)生，它隨著流體運動方向運動就減少了它與流體之間的相對速度，從而減少了層流邊界層和層流附面層貼近邊界處的流速梯度值，導(dǎo)致流體對邊界面剪力的減少及通過粘性直接發(fā)散的能量值的減少，也就是摩擦阻力減少，因為此時受力分析中裝置與物體可看成一個整體，流體對活動壁面阻力的減少就是對物體的流體阻力減少，或者說物體對流體阻力減少，而物體與流體的相對運動狀態(tài)并未受影響，減阻過程便告完成。
實現(xiàn)這一方法是用裝置去實施的，圖1所示就是一個簡單的活動壁面減阻裝置，由轉(zhuǎn)筒(含轉(zhuǎn)筒軸承)(1)、轉(zhuǎn)筒支架(2)、活動壁面(3)、密封裝置(4)、保護外殼(5)組成，轉(zhuǎn)筒及軸承安在支架上，隨支架固定于外殼上，活動壁面可以是一軟膜，或由輸送帶改制而成，活動壁面纏覆于轉(zhuǎn)筒之上，可隨轉(zhuǎn)筒運動而運動，所圍成的腔室1(8)、及腔室2(9)、可以進行動密封設(shè)計并充入潤滑性流體。下面我們結(jié)合這個裝置來驗證活動壁面系統(tǒng)的減阻工作原理。
假設(shè)面積為A的某水下固定壁面需進行減阻，水流速度為V，則此時壁面所受水流摩擦力大小為Cf×1/2ρV2A，功率損耗為Cf×1/2ρV3A。
現(xiàn)將圖1所示裝置安在水下固定壁面表面，為簡便起見暫忽略轉(zhuǎn)筒軸承阻力、活動壁面在轉(zhuǎn)筒上纏繞的阻力等，裝置內(nèi)所充流體也是水，則活動壁面將在水流摩擦力驅(qū)動下運動，設(shè)平衡狀態(tài)時其運動速度為V1，則對其進行受力分析可知上部水流驅(qū)動力與活動壁面在腔室1及腔室2的三個面所受水流摩擦力之和相等，即Cf×1/2ρ(V-V1)2A＝3Cf×1/2ρV12A，可解得V1≈0.366V，則可得上部水流所受阻力為Cf×1/2ρV2×0.6342＝0.402Cf×1/2ρV2，功率損失為0.402Cf×1/2ρV3A，遠小于減阻前的值，可見活動壁面具減阻功效。
在上述驗證過程中我們看到，活動壁面裝置內(nèi)部動運行阻力主要來自活動壁面內(nèi)側(cè)圍成的腔室1和活動壁面外側(cè)回程部分與裝置內(nèi)壁圍成的腔室2中所充流體的摩擦阻力，雖然從理論上說可將腔室1、腔室2抽成真空，用其它諸如磁懸浮力等非接觸力抵抗流體壓力從而消除內(nèi)部阻力，但在實際工程運用中目前顯然是不現(xiàn)實的，故現(xiàn)實的作法仍是充入粘性系數(shù)小、密度輕的潤滑用流體，腔室2中流體對活動壁面阻力可在腔室2中布置活動壁面予以減阻，即布置從屬活動壁面系統(tǒng)(11)，該系統(tǒng)與為之服務(wù)的主活動壁面系統(tǒng)(10)組成基本一致，若仍不能滿足要求，則再在從屬活動壁面系統(tǒng)(11)的腔室2部位中布置子從屬活動壁面系統(tǒng)(12)，依此原則直至達要求為止，如圖3所示意(主活動壁面系統(tǒng)是指活動壁面與被減阻流體接觸起邊界面作用并執(zhí)行主要減阻功能的那部分系統(tǒng)，其活動壁面亦稱主動活動壁面)。同樣，在腔室1中流體對活動壁面內(nèi)側(cè)的阻力可布置從屬活動壁面系統(tǒng)(11)，仍不能滿足要求則再布置子從屬壁面活動系統(tǒng)(12)，其減阻機理是相似的，如圖4所示意。
為了解多重活動壁面的減阻效果，現(xiàn)以飛輪減阻為例來進行驗證。
如圖2所示，圓柱狀飛輪(6)以高速度旋轉(zhuǎn)，它的外圍套有n個同心薄壁剛質(zhì)圓筒作為多重活動壁面裝置，假設(shè)我們暫不考慮飛輪及各薄壁圓筒端部的影響，亦忽略圓筒厚度及間距影響而設(shè)飛輪及各層圓筒內(nèi)外表面積均為S，則顯然各層圓筒會生成由內(nèi)到外依次遞減的速度梯度，設(shè)平衡狀態(tài)時每層之間的相對速度分別為ΔV1、ΔV2、ΔV3……ΔVn，各圓筒間流體比重為ρ。
取第m層圓筒作受力分析，受兩個力作用，一個是內(nèi)側(cè)流體對它的驅(qū)動力，大小為Cf×1/2ρΔVm2S，另一上是外側(cè)流體對它的阻力，大小為Cf×1/2ρΔVm+12S，兩力大小相等，方向相反，可導(dǎo)出ΔVm＝Vm+1，同樣對各個圓筒都可導(dǎo)出這樣的結(jié)論，也就可得出各層相對速度均為V/n，那么可知飛輪所受流體摩擦力為Cf×1/2ρS×(V/n)2＝1/n2×Cf×1/2ρV2S，功率損耗為1/n2Cf×1/2ρV3S，也就是說理論上減阻后飛輪所受摩擦阻力及功率損耗是原來的1/n2，這樣的減阻效果是目前其它任何減阻方法望塵莫及的?？梢姸鄬颖诿娼M合將一個速度為V的運動分解成多個速度遠小于V的運動，雖然后者速度之和仍等于V，但阻力與能量之和卻是遠小于前者，這是活動壁面采用多層疊合的主要原因，也可理解成每疊合一層單層壁面就相多于多一層子從屬活動壁面系統(tǒng)，且省略了轉(zhuǎn)筒及支架等構(gòu)件。在柔性活動壁面中各單層活動壁面不易固定相對位置而產(chǎn)生接觸摩擦，本發(fā)明采取的技術(shù)措施是在各單層活動壁面粘貼由彈性材料制作并外覆自潤滑材料的定位凸條，沿長度方向貫通，每隔一定寬度按一定方式設(shè)置一條，凸條高度的約等于設(shè)計的兩壁面間距離，保證了各壁面的空間相對位置，不使其產(chǎn)生接觸摩擦，且上下壁面間的凸條互相產(chǎn)生機械咬合，防止各單層活動壁面跑偏，對于與轉(zhuǎn)筒接觸的活動壁面，接觸面外覆摩擦系數(shù)大的材料并在轉(zhuǎn)筒上預(yù)置凹槽以防止打滑，跑偏，除此外的各層活動壁面均外覆自潤滑材料以減少運行阻力。各壁面間充入潤滑用的流體，以保證壓力平衡并進行力的傳遞，如圖5的示意，單層活動壁面疊合的重數(shù)則可根據(jù)需要而定。
因活動壁面系統(tǒng)運動形式與輸送機上的輸送帶類似，所以輸送系統(tǒng)設(shè)備上的許多部件稍加改進即可用于活動壁面減阻裝置。例如活動壁面可由具一定抗拉強度的柔性材料制成，多數(shù)情況下用輸送帶稍加改進即可滿足要求，事先計算好所需抗拉強度后即可選用芯帶型號，與轉(zhuǎn)筒接觸側(cè)外覆摩擦系數(shù)大的橡膠類面層，其余面層皆覆聚四氟乙烯類自潤滑材料，粘好定位凸條后，其安裝到轉(zhuǎn)筒上的工序亦與輸送帶安裝工序類似，但安裝精度要求高，尤其是多重活動壁面，稍有偏差就會造成相鄰壁面的空隙過大，定位凸條失去作用，系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，或與鄰近活動壁面產(chǎn)生接觸摩擦影響其相對滑動，故多重軟膜疊合而成的活動壁面最好在專門廠家制成成品出廠。若安裝精度難以控制，也可將定位凸條設(shè)計成導(dǎo)軌及導(dǎo)軌槽之類的形式以約束各重壁面的相對空間位置。
活動壁面裝置上的轉(zhuǎn)筒也可用輸送機上的各種轉(zhuǎn)筒稍加改進制成，但軸承選擇時要注意高速軸承的適用條件及支承問題。必要時轉(zhuǎn)筒內(nèi)也可裝驅(qū)動電機成為驅(qū)動轉(zhuǎn)筒以驅(qū)動活動壁面運動。
關(guān)于密封裝置選用，密封裝置主要沿外殼邊緣與主活動壁面交界處布置，若裝置內(nèi)充的是不允許泄漏的氫氣之類危險品，則密閉裝置要求嚴(yán)格，甚至可考慮磁流體密封等，若是允許有部分泄漏量的流體，則采用一般的密封設(shè)計亦可，在許多情況下內(nèi)外流體是相同的，則密封可取消。
內(nèi)充潤滑用流體，一般選粘性系數(shù)小、密度小的流體，如果被減阻流體是氣體，則首選氫氣、氦氣等氣體，但若選危險的氫氣則密封裝置要求嚴(yán)格，若被減阻流體是液體，則選粘性系數(shù)小、有潤滑作用的流體，如高分子聚合物溶液等。如選用氣體則應(yīng)注意保持氣壓與液壓的平衡，尤其是豎直表面部位應(yīng)加設(shè)專門裝置或經(jīng)特別設(shè)計才能保持壓力平衡。在此暫不討論。
支架與外殼及外殼與被減阻物體表面的固定方式可根據(jù)需要靈活確定，有時候可取消部分外殼而由物體表面來代替其功能。
現(xiàn)已發(fā)展成熟的一些輸送機技術(shù)如安全運行監(jiān)測技術(shù)等亦可直接或稍改進后用于本裝置。
隨著使用場合的不同，本減阻裝置的構(gòu)件組成，形態(tài)及安裝組合方式都會有所不同，但基本構(gòu)成及組合方式是大致不變的，即由主、(子)從屬活動壁面系統(tǒng)、外殼、密封裝置及所充潤滑流體組成，主活動壁面系統(tǒng)組成構(gòu)件有轉(zhuǎn)筒及其軸承(或起轉(zhuǎn)筒作用的構(gòu)件)、轉(zhuǎn)筒支架(有時帶固緊拉伸裝置)、活動壁面(單層或多重)等，活動壁面纏覆于轉(zhuǎn)筒之上，可隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動而運動，轉(zhuǎn)筒隨支架固定于外殼上，有時也可直接固定于被減阻物體表面。密封裝置可使圍閉空間內(nèi)所充潤滑用流體不致外逸，(子)從屬活動壁面系統(tǒng)由轉(zhuǎn)筒及軸承、支架、活動壁面組成，其功能與結(jié)構(gòu)關(guān)系同主活動壁面系統(tǒng)相同，一個或多個主活動壁面系統(tǒng)可與多個從屬活動壁面系統(tǒng)根據(jù)需要靈活確定組合方式、安裝形式等，工作時流體驅(qū)動主活動壁面系統(tǒng)的活動壁面，通過內(nèi)部流體摩擦，依次帶動各從屬活動壁面系統(tǒng)及子系統(tǒng)，從屬活動壁面系統(tǒng)及子從屬壁面活動系統(tǒng)的運動反過來減少了主活動壁面系統(tǒng)的運行阻力，使主活動壁面速度加快，與被減阻流體相對速度不斷減少直至平衡態(tài)，從而共同完成減阻過程。
實施本發(fā)明的有益效果是突破了目前各種減阻方法的局限，裝置構(gòu)造簡單、經(jīng)濟，安裝操作方便，減阻效果明顯，有著極其廣泛的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。


現(xiàn)結(jié)合

及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明圖1是一個簡單的活動壁面減阻裝置示意2是飛輪減阻示意3是在腔室2中布置從屬活動壁面系統(tǒng)的示意4是在腔室1中布置從屬活動壁面系統(tǒng)示意5是多重活動壁面定位凸條安裝及各層疊合方式示意6是多重活動壁面減阻裝置第一個實施例的剖面示意7是多重活動壁面減阻裝置第二個實施的剖面示意中1.轉(zhuǎn)筒及軸承，2.轉(zhuǎn)筒支架，3.單重或多重活動壁面，4.密閉裝置，5.裝置外殼，6.飛輪，7.薄壁剛質(zhì)圓筒，8.腔室1，9.腔室2，10.主活動壁面系統(tǒng)，11.從屬活動壁面系統(tǒng)，12.子從屬活動壁面系統(tǒng)，13.定位凸條，14.各單層活動壁面，15.被減阻物體。
具體實施例方式實施例一圖6所示是一個典型的主要應(yīng)用于內(nèi)流減阻的多重活動壁面流體減阻裝置的示意圖，其中主活動壁面系統(tǒng)腔室1位置套有一個從屬活動壁面系統(tǒng)，該從屬系統(tǒng)的腔室1位置又套有一個子從屬活動壁面系統(tǒng)，其支架均互相聯(lián)結(jié)固定于外殼上，主活動壁面系統(tǒng)腔室2位置布置了一個從屬活動壁面系統(tǒng)，該從屬系統(tǒng)的腔室1及腔室2位置又分別設(shè)有一個子從屬活動壁面系統(tǒng)，各個活動壁面系統(tǒng)均由活動壁面、轉(zhuǎn)筒及支架組成，整個裝置內(nèi)的各個空間充滿潤滑用流體，活動壁面均由多重單層活動壁面疊合而層，具體重數(shù)根據(jù)需要而定。所充流體亦可根據(jù)用途而定，如應(yīng)用于輸水渠道或原油輸送道等可選充水或高分子聚合物水溶液等，如應(yīng)用于天然氣輸送管道則可充氫氣、氦氣、空氣等，也可取消密封裝置而充入與被減阻流體同質(zhì)同態(tài)流體。實際應(yīng)用時裝置長度很長，一般都取消外殼而直接安裝在各種渠道表面，為節(jié)約裝置所占空間，往往采用多個轉(zhuǎn)筒傳力使活動壁面轉(zhuǎn)向，從而使各個活動壁面系統(tǒng)的活動壁面上下兩面距離縮小，即降低腔室1和腔室2的高度，這樣除端部布置轉(zhuǎn)筒的位置需占一定安裝空間外，其余部位所占空間很小，亦減少了潤滑流體的用量。
實施例二圖7所示則是一個典型的主要應(yīng)用于外流減阻的多重活動壁面流體減阻裝置的安裝示意圖，組合方式是兩個主活動壁面系統(tǒng)并列，其中一個主活動壁面系統(tǒng)的四個轉(zhuǎn)筒隨支架安裝在被減阻物體的四個頂點上，主活動壁面將被減阻物體包圍，而另一個主活動壁面系統(tǒng)在安在一側(cè)，從圖中可以看到兩個主活動壁面系統(tǒng)的活動壁面回程側(cè)相鄰，因它們的運動方向一致，速度大致相等，所以可以省卻兩個主活動壁面系統(tǒng)位于腔室2位置的所有從屬活動壁面系統(tǒng)。本實施例安裝方式尤其適用于流體中運動的細(xì)長型物體如高速列車、導(dǎo)彈、潛艇、魚雷的減阻。本實施例兩端外殼是通過端部的連接件固定于被減阻物體上的，主活動壁面經(jīng)過物體兩端時運動方向與流體運動方向垂直，其阻力較大，所以兩端均布置從屬活動壁面系統(tǒng)予以減阻。本實施例中的活動壁面是多重疊合的，具體重數(shù)可根據(jù)需要定。實際應(yīng)用時可增加腔室1部分的各從屬活動壁面系統(tǒng)個數(shù)及多重活動壁面重數(shù)以增加減阻效果，所充潤滑流體的選用同實施例一相同，在此不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種減少流體摩擦阻力的減阻裝置，可安裝于需要減阻的物體表面與流體之間，其特征是裝置與被減阻流體接觸的表面即邊界面是活動的(即活動壁面)，可在不改變流體與被減阻物體相對運動狀態(tài)的情況下隨流體運動而運動，從而減少邊界面與流體之間的相對速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減阻裝置，其特征是活動壁面可以由多重活動壁面疊合而成，各重壁面間可沿一定方向自由滑動，各種壁面圍合而成的空間可充入潤滑用流體，工作時各重壁面間依次生成一定的速度梯度，分別承擔(dān)一定的相對速度，共同完成減阻動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減阻裝置，其特征是活動壁面運行時內(nèi)部潤滑流體產(chǎn)生的摩擦阻力可以布置一層至多層從屬活動壁面系統(tǒng)、子從屬活動壁面系統(tǒng)予以減阻，主活動壁面系統(tǒng)與從屬活動壁面系統(tǒng)可根據(jù)需要以多種方式靈活組合共同完成減阻動作。
全文摘要
一種減少流體摩擦力的減阻裝置，它布置于需要減阻的流體與物體表面之間，一般由轉(zhuǎn)筒及軸承(或有轉(zhuǎn)向功能的構(gòu)件)、支架、活動壁面及附屬的構(gòu)件組成?；顒颖诿胬p繞于轉(zhuǎn)筒上，可隨轉(zhuǎn)筒運動而作循環(huán)運動，工作時活動壁面與流體接觸的部分隨流體運動，與被減阻流體接觸的表面因與被減阻流體之間相對速度減少而使阻力減少。活動壁面亦可由多重單層活動壁面疊合而成，各重壁面之間可沿固定方向自由滑動。裝置內(nèi)各種壁面之間充入潤滑用流體，同時保持內(nèi)外流體壓力平衡，裝置內(nèi)部流體阻力亦可布置子、從屬活動壁面系統(tǒng)予以減阻，而子、從屬系統(tǒng)內(nèi)部阻力亦可再布置活動壁面系統(tǒng)減阻。本裝置可用于各種流體減阻場合。
文檔編號F15D1/00GK1730950SQ200510036179
公開日2006年2月8日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者鄒立松 申請人:鄒立松