專利名稱：：用于減小因物體與流體相對移動而產生的阻力的裝置的制作方法用于減小因物體與流體相對移動而產生的阻力的裝置
背景技術：
：當物體在流體內部移動時，或當流體在物體周圍或之內流動時，該物體承受由穿過物體的流體的速度或由其在物體內受到限制而引起的壓力，并承受作用在與物體移動相反方向上或作用在流體流動方向上的力。這種與物體在流體內的移動相反或與流體在物體內的移動相反的力是摩擦阻力或摩擦水頭損失。在層流中，阻力相對較弱，但只要物體和流體的相對速度增大，至少在物體浸入流體內的某些表面部分周圍流動就會變?yōu)橥牧?。這種湍流在物體周圍或沿物體產生具有旋轉方向的流體旋渦，使得流體的與物體接觸或接近的層具有在與物體移動方向相反的方向上或在流體流動方向上定向的移動分量。這樣以如下方式明顯增加了阻力，并顯著增大了摩擦阻力或摩擦水頭損失，即，更大的推力必須施加在移動的物體上以使其移動穩(wěn)定，或者必須提高泵送力以維持流體在通道中的流速。另外，這樣使物體受到了限制。這種現(xiàn)象尤其被發(fā)現(xiàn)在運載工具的任何移動中，例如船在水中或汽車、火車以及飛機在空氣中的移動，結果是必須為克服阻力所需的更高推力耗費多余的能量或燃料。在物體不動的情況下，必須將它們設計成使得它們可以承受這些力和限制。最后，在流體在管中循環(huán)的情況下，會導致空穴現(xiàn)象并需要更高的泵送動力以使流體流速穩(wěn)定。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種裝置，通過該裝置，以物體表面的至少一部分與流體之間的摩擦力得到減小的方式對因流體在物體周圍或之內進行湍流而引發(fā)的旋渦的旋轉方向進行控制，這樣減小阻力、限制以及水頭損失。在固定結構、建筑物、橋、風力渦輪機等上，根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠降低因它們承受的流體的流動而引起的限制，并由此減少它們的疲勞和磨損。根據(jù)本發(fā)明的裝置減小了物體在流體中運動所引起的阻力、固定物體所受到的限制、或流體在通道中流動而引起的水頭損失，克服了所提及的缺陷，并可以實現(xiàn)以上提出的目的，在權利要求l中列出了區(qū)別特征。附圖一方面以自然產生的方式表示在物體周圍的湍流現(xiàn)象，另一方面以出現(xiàn)在裝有本發(fā)明裝置的物體周圍或之內的方式表示上述現(xiàn)象。圖1示意性表示在流體內移動的物體周圍或在物體周圍移動的流體的湍流。圖2示意性表示裝有本發(fā)明裝置的物體，以及由其產生的得到改動的流動。圖3表示裝有本發(fā)明裝置的變形體的物體。圖4-7通過非窮盡的舉例表示通過本發(fā)明裝置可以呈現(xiàn)的不同形式。圖8表示裝有本發(fā)明裝置的光滑、自粘著型材。圖9表示裝有本發(fā)明裝置的列車。圖10和11表示從側面觀察并沿線A-A部分截取的以及從上方看的裝有本發(fā)明裝置的橋。圖12是裝有用于減小阻力的裝置并用于完成測試的前錐體的示意圖。圖13表示己經(jīng)施加圖7所示裝置并作為有效測試基礎的前錐體的一部分。圖14表示裝有嵌入前錐體內的圖7所示的裝置并作為有效測試基礎的前錐體的一部分。圖15表示裝有嵌入的裝置的管路。圖16表示裝有連接的裝置的管路。圖17表示通過所述裝置實現(xiàn)的再循環(huán)現(xiàn)象。具體實施例方式圖1示意性表示當物體在流體內移動或流體在該物體周圍流動時，湍流狀態(tài)隨著物體和流體的相對速度的提高而產生，并引起流體旋渦，其具有較大速度和旋轉方向，使得與物體表面接觸的流體線具有相對物體的速度，該速度比物體穿過流體的移動速度更大，但處于相反方向。這樣使流體與物體之間的摩擦力增加，并由此拉加了阻力，尤其是摩擦阻力。另外這些旋渦移動離開物體，這樣使沿所述物體表面流動的不穩(wěn)定性增加并導致分流，由此導致更明顯的阻力。圖2表示物體1裝有裝置2，該裝置可以控制和引導尤其是物體周圍湍流的旋渦的旋轉方向。在所示實例中，這些裝置2由在浸入流體內的物體1的整個表面上延伸并優(yōu)選大體上垂直于流體流動延伸的凹槽構成。該凹槽2具有的形式被設計成使得與物體1表面的至少一部分接觸并達到該凹槽的流體線滲入所述凹槽，并引導到一旋轉方向，使得與裝置下游物體接觸的流體線相對于物體1的速度在該物體的移動方向上，也就是與流體流動方向相反，旋渦的旋轉方向己經(jīng)得到裝置2的控制和引導。因而使流體與物體1之間的摩擦力降低，并使阻力減小。根據(jù)本發(fā)明的包括凹槽2的裝置使旋渦的旋轉方向可以反向，由此降低至少在凹槽2下游的一定距離上的摩擦阻力。另外，這些旋渦的方向往往使流體流動與物體表面重新連接，由此延遲了分流的瞬間并減小了阻力。凹槽2相對于物體1的位置可以改變，尤其隨著物體1的形狀而變，但該凹槽2優(yōu)選位于物體上通常形成邊界層湍流的上游位置。幾個凹槽2可以沿物體前后布置在物體上的不同位置。對于列車、汽車或飛機來說，該凹槽2自身進行封閉，因為物體完全浸入空氣內。相反，對于船來說，凹槽2應該僅設置在船體得到浸沒的部分上。對于裝有浸沒球形物的船，凹槽2又可以沿其整個圓周布置在該球形物上。在圖3所示的變形中，物體1裝有包括凹槽2的凸出部3。該凸出部可以與物體為一體，或者由固定在物體l上的型材組成。在圖2中可以看到在球形物體1的前部上的區(qū)域5覆蓋有似穩(wěn)定流體帽罩。在橫截面上看到，凹槽2的形狀可以根據(jù)通過4-7中的實例示意性示出的實施方式而改變。在圖4中示出的變形包括大體上對稱并具有自由邊緣2a，2b的凹槽，所述自由邊緣位于在流體中移動的物體的表面4的延伸部上。在該變形中，凹槽延伸超過180。，其自由邊緣2a，2b相互間隔的距離小于凹槽2的最大寬度。在圖5所示的變形中，凹槽2大體上為U形。在圖6和7所示的變形中，凹槽2在其自由邊緣2a，2b中的一個相對于浸入流體內的物體的外封套偏移的意義上來說是非對稱的，這樣在一些情況下便于流體在該凹槽中的流動。在圖4，6和7所示的變形中，凹槽2大體上為C形。圖8表示包括下表面6a的型材6，所述下表面可以裝有由可拆開薄片防護的自粘著層。該型材具有薄的錐形邊緣6b，6c和其上形成凹槽2的厚的中心部分。這一阻力減小裝置的實施方式實用并易于實施，因為其不需要修改與流體接觸的物體表面的形狀。實際上，有能力在型材6上切割與物體周長或物體上應該裝有阻力減小裝置的部分相對應的長度，并隨后將該型材片段沿所需的大體上與流體流動正交的路徑粘結在物體表面上以使物體裝有由凹槽2構成的所述阻力減小裝置。所述裝置可以控制、加強以及使流體流動平穩(wěn)，這樣確保了更穩(wěn)定的速度和壓力。借助本發(fā)明裝置獲得的結果是在流體中移動的物體所承受的阻力明顯減小。該結果對于在流體內移動的所有運載工具非常重要，包括船、列車、汽車、飛機等，因為阻力減小以及摩擦力的明顯減小自動帶來驅動所需能量的減少，由此降低了燃料消耗或提高了車輛速度。如圖2所示，在流體中移動的物體上所具有的裝置可以導致以帽罩的形狀在物體1前部形成穩(wěn)定流體薄膜5，從而又減小了阻力。圖9表示裝有本發(fā)明兩個裝置2的陸地車輛，這兩個裝置2前后布置并間隔一定距離。兩個裝置之間沿車輛的距離優(yōu)選小于在第一裝置下游形成邊界層的距離。對于固定結構、建筑物、風力渦輪機、離岸平臺、橋、以及任何類型的結構，根據(jù)本發(fā)明的裝置使它們所受到的限制變小，并由此降低了它們的疲勞和/或磨損。作為實例，在圖10和11中示出了從側面和從上面觀察并裝有本發(fā)明裝置的橋。橋的塔門P各自裝有幾個凹槽2，這些凹槽2具有圖4-7所示的大體上的"C"形狀并沿塔門的一個或幾個母線延伸。橋板T同樣裝有具有大體上"C"形的一個或幾個凹槽2。這些大體上C形的凹槽2穩(wěn)定和控制了在橋的塔門P和橋板T周圍流動的水或空氣流，并起到了在給定的這些元件周圍的水和/或空氣流動速度下使它們受到更低限制和力的作用。在所有這些應用中，由于在浸入流體內的物體周圍形成的旋渦的旋轉方向反向，因此阻力減小裝置產生明顯減小的摩擦阻力和總阻力，產生使物體和流體流相對移動速度減小的效果。為了說明根據(jù)本發(fā)明的裝置的可行性和效率，對于浸入水中的物體進行第一測試，該物體具有長21米、最大直徑2.8米的前錐體21的形狀(圖12)。在該圖中，為了說明的需要，根據(jù)本發(fā)明的裝置的尺寸相對于前錐體的尺寸已經(jīng)得到了放大。在第一構造中(圖13)，這種前錐體裝有根據(jù)圖8類型的阻力減小裝置，也就是裝置2組合在緊固于前錐體外壁上的元件6內。該裝置已經(jīng)被布置成與前錐體的尖成大約2.6米的距離，或者與前錐體的最大橫截面成大約4.4米的距離。圖13以部分橫截面表示裝有該裝置的前錐體。凹槽2的直徑在這種情況下為2.5cm量級。對于湍流水流動，可以注意到，根據(jù)Spalart-Allmaras模型(spl)，目前的裝置在前錐體表面上產生略微增加的流體壓力并相對于在缺少本發(fā)明裝置的相同前錐體周圍的同一流動產生明顯降低的摩擦阻力。所獲得的數(shù)字是<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>對類似的前錐體采取相同的措施，其中根據(jù)本發(fā)明的裝置已經(jīng)嵌入表面內，也就是機械加工或通過成形實現(xiàn)的嵌入(圖14)。在該實例中，裝置被布置在與在前實例相同的前錐體的位置上，只是凹槽2的直徑被提高到5cm，并且凹槽具有圖7所示類型的形狀。所獲得的數(shù)據(jù)是<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在兩種情況下，利用布置在前錐體頂部上或一體形成在前錐體表面內的單個裝置實現(xiàn)了總阻力明顯降低大約4.4%-6.5%。為了進一步提高這種阻力的減小，可以在前錐體表面上前后布置幾個裝置。實際上任何給定的裝置僅在其下游的一定距離上產生效果，使得沿浸沒物體表面的流動旋渦旋轉方向反向的現(xiàn)象可以重復幾次。因而確保了在采用沿浸沒物體前后布置的幾個阻力減小裝置時，作用在浸入流動流體內的物體上的總阻力的減小的程度更大。應該認識到凹槽2的尺寸、其形狀及其相對于浸入在流體內的物體的位置可以改變其阻力減小的效率。還注意到在采用根據(jù)本發(fā)明的阻力減小裝置時空穴現(xiàn)象的減少。根據(jù)本發(fā)明的阻力減小裝置同樣有效地適用于減少流體在管中流動時的水頭損失和空穴。這一點可以證明在許多領域例如壓力管、流體分布網(wǎng)、發(fā)動機進氣或排氣歧管、管線等中是重要的。圖15以橫截面圖示意性表示采用被嵌入或機械加工在管路壁內的阻力減小裝置。圖16以橫截面圖示意性表示采用被連接在管路內壁上的阻力減小裝置。圖17表示在水中移動并具有阻力減小裝置的浸沒物體的一部分，示出了通過該裝置引起的水的再循環(huán)。同樣對于管路來說，只要流體流動變?yōu)橥牧鳎哂械淖枇p小裝置的凹槽2就會使流體旋渦的旋轉方向反向，由此使管路和與該管路的壁接觸的流體層的相對速度降低，這樣又減少了通道中的水頭損失以及空穴現(xiàn)象。同樣對于管路來說，凹槽2可以沿管整個布置在與水頭損失減少裝置產生效果相對應的距離上，以使減小管上的流體摩擦并提高安裝容量的效果倍增。對于管路來說，凹槽2連接或嵌入在管的內壁內，并優(yōu)選通過自身得到封閉，也就是保持連續(xù)，因為流體與管的整個內表面區(qū)域接觸。還沒有完成的更全面的測試顯示，在物體1的表面上存在的凹槽2垂直于物體1周圍的流體流動延伸，并展開超過180。的角度，這樣在所涉及的區(qū)域上產生流體在物體1的周圍雙重再循環(huán)?？梢钥吹降谝辉傺h(huán)I位于凹槽2的下游。該第一再循環(huán)的距離物體1一定距離的上層在物體周圍的總流體流動方向上流動，而第一再循環(huán)I的與物體1接觸的下層在與上述總流體流動方向相反的方向上出現(xiàn)，使得在該再循環(huán)區(qū)域中物體1與流體之間的摩擦得到減小。還可以看到在凹槽2上的第二再循環(huán)II在凹槽內形成通過自身封閉的流動。在凹槽2具有其開口的區(qū)域上，兩個再循環(huán)接觸并因此必須具有相同的旋轉方向，這樣就強加上了在凹槽2中發(fā)生的并與第二循環(huán)的旋轉方向相反的第二再循環(huán)II的旋轉方向。為了降低這兩個再循環(huán)相交的區(qū)域上的湍流，在凹槽2的下游邊緣形成隆起部A。對該隆起部A的形狀進行加工以在最大可行程度下降低再循環(huán)I和II之間的湍流區(qū)域，可以限制損失能量并降低物體1穿過流體的流體動力學阻力。以通常方式，裝置也就是凹槽2和有可能設置的隆起部A影響了在物體周圍流動的流體的邊界層。在這些條件下，這些元件2和A的尺寸與物體的尺寸相比總是微小或者甚至是非常微小，例如幾厘米，而物體1的尺寸達到20米-200米。權利要求1.一種用于減小因物體與流體相對移動而產生的阻力的裝置，其特征在于，在物體的與流體接觸的表面之內或之上，并沿大體上位于垂直于流體流動的平面上的連續(xù)線，所述裝置包括使產生的旋渦的旋轉方向沿物體表面的至少一部分得到控制的部件，由此減小流體與物體之間的摩擦力，并因此減小物體所承受的阻力，或者流體所受到的水頭損失。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述部件布置在物體上的通常形成湍流的區(qū)域的下游。3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述部件包括在與流體接觸的物體表面上形成的至少一個凹槽。4.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述部件包括連接在物體表面并與流體接觸的至少一個凸出部，該凸出部具有至少一個凹槽。5.如在前權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述部件布置在與流體接觸的物體表面的整個周長上。6.如權利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述凹槽的橫截面具有大體上U或C形形狀。7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述凹槽相互面對的自由邊緣位于與流體接觸的物體表面的延伸部上。8.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述凹槽的相互面對的自由邊緣彼此相對偏移，這些自由邊緣中的至少一個相對于與流體接觸的物體表面偏移。9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括其下側用于粘結在物體上的型材，該型材具有錐形邊緣和具有凹槽的厚的中心部分。10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，在型材上形成的該凹槽的形狀與根據(jù)權利要求7或8所述的特征一致。11.如在前權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述部件對沿與流體接觸的物體表面的至少一部分的流體旋渦進行控制。12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述部件使沿與流體接觸的物體表面的至少一部分的流體旋渦的旋轉方向反向。13.如在前權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置被連接或組合到完全或部分浸入流體內的物體的外表面之上或之內。14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，該裝置被組合到車輛、列車、船、汽車、飛機或固定結構、建筑物、橋、風力渦輪機、塔、或離岸平臺中。15.如權利要求1-12中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置被連接或組合到流體循環(huán)所處的通道的內表面之上或之內。16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，該裝置被組合到壓力管、發(fā)動機進氣或排氣歧管、或流體分布管中。17.—種裝有如權利要求1-12中任一項所述的裝置的陸地、航海、或航空運載工具。18.—種裝有如權利要求1-12中任一項所述的裝置的通道或管路。19.一種裝有如權利要求1-12中任一項所述的裝置的固定結構或機件。20.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述凹槽(2)的橫截面在超過180。角度上展開，該裝置在與流體接觸的物體(1)的整個表面上延伸，大體上垂直于流體流動。21.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，在凹槽(2)的緊下游，隆起部(A)從物體(1)的表面突出并平行于凹槽(2)延伸。22.如權利要求17或18所述的裝置，其特征在于，該裝置的存在產生了在凹槽(2)內的流體的第二再循環(huán)(II)以及在凹槽(2)下游的第一再循環(huán)(1)，第二再循環(huán)的旋轉方向被設計成使得其距物體一定距離的上層在總流體流動方向上流動，而其與物體(l)接觸的下層在相反方向上流動，并且將第一再循環(huán)(I)的方向強加于第二再循環(huán)(II)的方向，因為在與凹槽(2)開口相對應的區(qū)域，兩個再循環(huán)(1，II)相互接觸。全文摘要一種用于減小因物體和流體之間或流體在物體中的相對運動而產生的阻力或水頭損失的裝置。在與流體接觸的物體的表面內或在該表面頂部，所述裝置具有用于對沿物體表面的流體旋渦的旋轉方向進行控制的部件(2)，因而減小了流體與物體之間的摩擦力，并因此減小了阻力、物體所受到的限制、或流體的水頭損失。文檔編號B62D37/00GK101374717SQ200680045765公開日2009年2月25日申請日期2006年12月5日優(yōu)先權日2005年12月6日發(fā)明者Y·布魯哈特申請人:Drs減阻系統(tǒng)股份公司;馬吉星私人有限公司