专利名称：多重活动壁面流体减阻装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种减少流体摩擦阻力的减阻装置。
背景技术：
长期以来人们寻找减少流体阻力方法时，注意力以往只集中和局限在型体方面，即探索物体的流线型方面，现在的高速列车、导弹、汽车等空气减阻设计仍停在这一阶段。创立边界层理论后，经多年发展，按减小粘性阻力的不同途径可将减阻方法大致划分为四类，一类是局部改变边界附近流体的方法，如气垫船技术、空气润滑技术，其减阻力潜力是可观的，但在全部边界实现粘性和比重都大不相同的粘性流体的置换的具体技术与工艺措施仍难以完全解决，推广有困难，目前主要应用于交通与机械工程领域。二类是通过边界层温度的改变和控制，或通过吸气等措施以改变层流边界层流速分布以减少粘性阻力，这在大量专著中已有详细探讨，其减阻效果有限。三类用高分子稀液注入附壁区减阻，可用于原油、水等流体减阻，但高分子聚合物价格昂贵，易失效，且减阻效果有限。四类是采用适当的边界材料(弹性材料)来使边界充分柔顺，以使它易产生动力响应，随层流附面层T-S波波动而振动，这是由仿生学研究发展起来的，但其减阻效果仍然有限。这些减阻方法在各种减阻力学教材及专著中均有大量论述。
发明内容
目前的各种减阻方法大都有各自的局限与不足，如有的工艺技术复杂，有的价格较昂贵，且大都减阻效果有限，只能应用于某些领域等，本发明则依据与目前各类减阻方法完全不同的减阻原理提出一种新的减阻方法，并据此提供实现该方法所需的装置，该装置具有构造简单、安装操作方便、效果显著、造价经济，且可应用于几乎所有领域流体减阻等特点。
一般我们在实际工程运用中所遇到的流体运动状态大都是紊流，由流体力学知识可知，当流体(空气、水、原油、化学溶液等)沿一固定边界流过时，不论其是属内流还是外流或其它运动形式与边界形式更为复杂的运动，其与边界的摩擦力公式都可最终表述为Rf＝Cf×1/2ρV2S的形式，此处速度是流体与边界面的相对速度，由此公式可见，如减少流体与边界面的相对速度，就可使流体摩擦阻力成几何级数递减，但通常边界面就是物体表面，减少流体与边界面的相对速度，就意味着减少物体或流体运动速度，这与使用要求不符。如果我们把边界面与物体表面分离，使其能与流体共同运动，或者说是在物体表面与流体之间安装一个活动壁面装置，装置与流体接触侧的活动壁面可随着流体运动方向运动，在到达端点后转向进入回程，从装置内返回起点，完成一个循环，由于与流体接触侧的活动壁面此时承担了边界面的角色，层流边界层和层流附面层在此产生，它随着流体运动方向运动就减少了它与流体之间的相对速度，从而减少了层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值，导致流体对边界面剪力的减少及通过粘性直接发散的能量值的减少，也就是摩擦阻力减少，因为此时受力分析中装置与物体可看成一个整体，流体对活动壁面阻力的减少就是对物体的流体阻力减少，或者说物体对流体阻力减少，而物体与流体的相对运动状态并未受影响，减阻过程便告完成。
实现这一方法是用装置去实施的，图1所示就是一个简单的活动壁面减阻装置，由转筒(含转筒轴承)(1)、转筒支架(2)、活动壁面(3)、密封装置(4)、保护外壳(5)组成，转筒及轴承安在支架上，随支架固定于外壳上，活动壁面可以是一软膜，或由输送带改制而成，活动壁面缠覆于转筒之上，可随转筒运动而运动，所围成的腔室1(8)、及腔室2(9)、可以进行动密封设计并充入润滑性流体。下面我们结合这个装置来验证活动壁面系统的减阻工作原理。
假设面积为A的某水下固定壁面需进行减阻，水流速度为V，则此时壁面所受水流摩擦力大小为Cf×1/2ρV2A，功率损耗为Cf×1/2ρV3A。
现将图1所示装置安在水下固定壁面表面，为简便起见暂忽略转筒轴承阻力、活动壁面在转筒上缠绕的阻力等，装置内所充流体也是水，则活动壁面将在水流摩擦力驱动下运动，设平衡状态时其运动速度为V1，则对其进行受力分析可知上部水流驱动力与活动壁面在腔室1及腔室2的三个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，则可得上部水流所受阻力为Cf×1/2ρV2×0.6342＝0.402Cf×1/2ρV2，功率损失为0.402Cf×1/2ρV3A，远小于减阻前的值，可见活动壁面具减阻功效。
在上述验证过程中我们看到，活动壁面装置内部动运行阻力主要来自活动壁面内侧围成的腔室1和活动壁面外侧回程部分与装置内壁围成的腔室2中所充流体的摩擦阻力，虽然从理论上说可将腔室1、腔室2抽成真空，用其它诸如磁悬浮力等非接触力抵抗流体压力从而消除内部阻力，但在实际工程运用中目前显然是不现实的，故现实的作法仍是充入粘性系数小、密度轻的润滑用流体，腔室2中流体对活动壁面阻力可在腔室2中布置活动壁面予以减阻，即布置从属活动壁面系统(11)，该系统与为之服务的主活动壁面系统(10)组成基本一致，若仍不能满足要求，则再在从属活动壁面系统(11)的腔室2部位中布置子从属活动壁面系统(12)，依此原则直至达要求为止，如图3所示意(主活动壁面系统是指活动壁面与被减阻流体接触起边界面作用并执行主要减阻功能的那部分系统，其活动壁面亦称主动活动壁面)。同样，在腔室1中流体对活动壁面内侧的阻力可布置从属活动壁面系统(11)，仍不能满足要求则再布置子从属壁面活动系统(12)，其减阻机理是相似的，如图4所示意。
为了解多重活动壁面的减阻效果，现以飞轮减阻为例来进行验证。
如图2所示，圆柱状飞轮(6)以高速度旋转，它的外围套有n个同心薄壁刚质圆筒作为多重活动壁面装置，假设我们暂不考虑飞轮及各薄壁圆筒端部的影响，亦忽略圆筒厚度及间距影响而设飞轮及各层圆筒内外表面积均为S，则显然各层圆筒会生成由内到外依次递减的速度梯度，设平衡状态时每层之间的相对速度分别为ΔV1、ΔV2、ΔV3……ΔVn，各圆筒间流体比重为ρ。
取第m层圆筒作受力分析，受两个力作用，一个是内侧流体对它的驱动力，大小为Cf×1/2ρΔVm2S，另一上是外侧流体对它的阻力，大小为Cf×1/2ρΔVm+12S，两力大小相等，方向相反，可导出ΔVm＝Vm+1，同样对各个圆筒都可导出这样的结论，也就可得出各层相对速度均为V/n，那么可知飞轮所受流体摩擦力为Cf×1/2ρS×(V/n)2＝1/n2×Cf×1/2ρV2S，功率损耗为1/n2Cf×1/2ρV3S，也就是说理论上减阻后飞轮所受摩擦阻力及功率损耗是原来的1/n2，这样的减阻效果是目前其它任何减阻方法望尘莫及的。可见多层壁面组合将一个速度为V的运动分解成多个速度远小于V的运动，虽然后者速度之和仍等于V，但阻力与能量之和却是远小于前者，这是活动壁面采用多层叠合的主要原因，也可理解成每叠合一层单层壁面就相多于多一层子从属活动壁面系统，且省略了转筒及支架等构件。在柔性活动壁面中各单层活动壁面不易固定相对位置而产生接触摩擦，本发明采取的技术措施是在各单层活动壁面粘贴由弹性材料制作并外覆自润滑材料的定位凸条，沿长度方向贯通，每隔一定宽度按一定方式设置一条，凸条高度的约等于设计的两壁面间距离，保证了各壁面的空间相对位置，不使其产生接触摩擦，且上下壁面间的凸条互相产生机械咬合，防止各单层活动壁面跑偏，对于与转筒接触的活动壁面，接触面外覆摩擦系数大的材料并在转筒上预置凹槽以防止打滑，跑偏，除此外的各层活动壁面均外覆自润滑材料以减少运行阻力。各壁面间充入润滑用的流体，以保证压力平衡并进行力的传递，如图5的示意，单层活动壁面叠合的重数则可根据需要而定。
因活动壁面系统运动形式与输送机上的输送带类似，所以输送系统设备上的许多部件稍加改进即可用于活动壁面减阻装置。例如活动壁面可由具一定抗拉强度的柔性材料制成，多数情况下用输送带稍加改进即可满足要求，事先计算好所需抗拉强度后即可选用芯带型号，与转筒接触侧外覆摩擦系数大的橡胶类面层，其余面层皆覆聚四氟乙烯类自润滑材料，粘好定位凸条后，其安装到转筒上的工序亦与输送带安装工序类似，但安装精度要求高，尤其是多重活动壁面，稍有偏差就会造成相邻壁面的空隙过大，定位凸条失去作用，系统不能正常运转，或与邻近活动壁面产生接触摩擦影响其相对滑动，故多重软膜叠合而成的活动壁面最好在专门厂家制成成品出厂。若安装精度难以控制，也可将定位凸条设计成导轨及导轨槽之类的形式以约束各重壁面的相对空间位置。
活动壁面装置上的转筒也可用输送机上的各种转筒稍加改进制成，但轴承选择时要注意高速轴承的适用条件及支承问题。必要时转筒内也可装驱动电机成为驱动转筒以驱动活动壁面运动。
关于密封装置选用，密封装置主要沿外壳边缘与主活动壁面交界处布置，若装置内充的是不允许泄漏的氢气之类危险品，则密闭装置要求严格，甚至可考虑磁流体密封等，若是允许有部分泄漏量的流体，则采用一般的密封设计亦可，在许多情况下内外流体是相同的，则密封可取消。
内充润滑用流体，一般选粘性系数小、密度小的流体，如果被减阻流体是气体，则首选氢气、氦气等气体，但若选危险的氢气则密封装置要求严格，若被减阻流体是液体，则选粘性系数小、有润滑作用的流体，如高分子聚合物溶液等。如选用气体则应注意保持气压与液压的平衡，尤其是竖直表面部位应加设专门装置或经特别设计才能保持压力平衡。在此暂不讨论。
支架与外壳及外壳与被减阻物体表面的固定方式可根据需要灵活确定，有时候可取消部分外壳而由物体表面来代替其功能。
现已发展成熟的一些输送机技术如安全运行监测技术等亦可直接或稍改进后用于本装置。
随着使用场合的不同，本减阻装置的构件组成，形态及安装组合方式都会有所不同，但基本构成及组合方式是大致不变的，即由主、(子)从属活动壁面系统、外壳、密封装置及所充润滑流体组成，主活动壁面系统组成构件有转筒及其轴承(或起转筒作用的构件)、转筒支架(有时带固紧拉伸装置)、活动壁面(单层或多重)等，活动壁面缠覆于转筒之上，可随转筒转动而运动，转筒随支架固定于外壳上，有时也可直接固定于被减阻物体表面。密封装置可使围闭空间内所充润滑用流体不致外逸，(子)从属活动壁面系统由转筒及轴承、支架、活动壁面组成，其功能与结构关系同主活动壁面系统相同，一个或多个主活动壁面系统可与多个从属活动壁面系统根据需要灵活确定组合方式、安装形式等，工作时流体驱动主活动壁面系统的活动壁面，通过内部流体摩擦，依次带动各从属活动壁面系统及子系统，从属活动壁面系统及子从属壁面活动系统的运动反过来减少了主活动壁面系统的运行阻力，使主活动壁面速度加快，与被减阻流体相对速度不断减少直至平衡态，从而共同完成减阻过程。
实施本发明的有益效果是突破了目前各种减阻方法的局限，装置构造简单、经济，安装操作方便，减阻效果明显，有着极其广泛的应用范围和应用前景。
现结合
及具体实施方式
对本发明作进一步说明图1是一个简单的活动壁面减阻装置示意2是飞轮减阻示意3是在腔室2中布置从属活动壁面系统的示意4是在腔室1中布置从属活动壁面系统示意5是多重活动壁面定位凸条安装及各层叠合方式示意6是多重活动壁面减阻装置第一个实施例的剖面示意7是多重活动壁面减阻装置第二个实施的剖面示意中1.转筒及轴承，2.转筒支架，3.单重或多重活动壁面，4.密闭装置，5.装置外壳，6.飞轮，7.薄壁刚质圆筒，8.腔室1，9.腔室2，10.主活动壁面系统，11.从属活动壁面系统，12.子从属活动壁面系统，13.定位凸条，14.各单层活动壁面，15.被减阻物体。
具体实施例方式实施例一图6所示是一个典型的主要应用于内流减阻的多重活动壁面流体减阻装置的示意图，其中主活动壁面系统腔室1位置套有一个从属活动壁面系统，该从属系统的腔室1位置又套有一个子从属活动壁面系统，其支架均互相联结固定于外壳上，主活动壁面系统腔室2位置布置了一个从属活动壁面系统，该从属系统的腔室1及腔室2位置又分别设有一个子从属活动壁面系统，各个活动壁面系统均由活动壁面、转筒及支架组成，整个装置内的各个空间充满润滑用流体，活动壁面均由多重单层活动壁面叠合而层，具体重数根据需要而定。所充流体亦可根据用途而定，如应用于输水渠道或原油输送道等可选充水或高分子聚合物水溶液等，如应用于天然气输送管道则可充氢气、氦气、空气等，也可取消密封装置而充入与被减阻流体同质同态流体。实际应用时装置长度很长，一般都取消外壳而直接安装在各种渠道表面，为节约装置所占空间，往往采用多个转筒传力使活动壁面转向，从而使各个活动壁面系统的活动壁面上下两面距离缩小，即降低腔室1和腔室2的高度，这样除端部布置转筒的位置需占一定安装空间外，其余部位所占空间很小，亦减少了润滑流体的用量。
实施例二图7所示则是一个典型的主要应用于外流减阻的多重活动壁面流体减阻装置的安装示意图，组合方式是两个主活动壁面系统并列，其中一个主活动壁面系统的四个转筒随支架安装在被减阻物体的四个顶点上，主活动壁面将被减阻物体包围，而另一个主活动壁面系统在安在一侧，从图中可以看到两个主活动壁面系统的活动壁面回程侧相邻，因它们的运动方向一致，速度大致相等，所以可以省却两个主活动壁面系统位于腔室2位置的所有从属活动壁面系统。本实施例安装方式尤其适用于流体中运动的细长型物体如高速列车、导弹、潜艇、鱼雷的减阻。本实施例两端外壳是通过端部的连接件固定于被减阻物体上的，主活动壁面经过物体两端时运动方向与流体运动方向垂直，其阻力较大，所以两端均布置从属活动壁面系统予以减阻。本实施例中的活动壁面是多重叠合的，具体重数可根据需要定。实际应用时可增加腔室1部分的各从属活动壁面系统个数及多重活动壁面重数以增加减阻效果，所充润滑流体的选用同实施例一相同，在此不再赘述。
权利要求
1.一种减少流体摩擦阻力的减阻装置，可安装于需要减阻的物体表面与流体之间，其特征是装置与被减阻流体接触的表面即边界面是活动的(即活动壁面)，可在不改变流体与被减阻物体相对运动状态的情况下随流体运动而运动，从而减少边界面与流体之间的相对速度。
2.根据权利要求1所述的减阻装置，其特征是活动壁面可以由多重活动壁面叠合而成，各重壁面间可沿一定方向自由滑动，各种壁面围合而成的空间可充入润滑用流体，工作时各重壁面间依次生成一定的速度梯度，分别承担一定的相对速度，共同完成减阻动作。
3.根据权利要求1所述的减阻装置，其特征是活动壁面运行时内部润滑流体产生的摩擦阻力可以布置一层至多层从属活动壁面系统、子从属活动壁面系统予以减阻，主活动壁面系统与从属活动壁面系统可根据需要以多种方式灵活组合共同完成减阻动作。
全文摘要
一种减少流体摩擦力的减阻装置，它布置于需要减阻的流体与物体表面之间，一般由转筒及轴承(或有转向功能的构件)、支架、活动壁面及附属的构件组成。活动壁面缠绕于转筒上，可随转筒运动而作循环运动，工作时活动壁面与流体接触的部分随流体运动，与被减阻流体接触的表面因与被减阻流体之间相对速度减少而使阻力减少。活动壁面亦可由多重单层活动壁面叠合而成，各重壁面之间可沿固定方向自由滑动。装置内各种壁面之间充入润滑用流体，同时保持内外流体压力平衡，装置内部流体阻力亦可布置子、从属活动壁面系统予以减阻，而子、从属系统内部阻力亦可再布置活动壁面系统减阻。本装置可用于各种流体减阻场合。
文档编号F15D1/00GK1730950SQ200510036179
公开日2006年2月8日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者邹立松 申请人:邹立松