具有与流体流动相平行的阻流部的风向标的制作方法

专利名称：具有与流体流动相平行的阻流部的风向标的制作方法
具有与流体流动相平行的阻流部的风向标
本发明涉及一种指示流体流向的装置。
风向标是一种众所周知的指示流体流向的装置。

图1中示出了一种典型的
风向标。该风向标101包括一个与支座103相枢接的指向器102和一个尾翼 104。该指向器具有一个简易的箭头105，以指向风吹来的方向。该尾翼基本 上是水平的。
当风向标201置亍气流202中，如图2a所示，该风向标与气流的方向不 一致时，流动的空气与尾翼203发生碰撞，并在该风向标上施加一个力，使风 向标绕支座204旋转。当该风向标旋转到足够远时，该尾翼变得与气流的方向 一致，如图2b所示。在该种情况下，风平行于尾翼流动，风不会与尾翼发生 碰撞，因此，气流将不会产生垂直作用于风向标上的力。因此，该风向标停止 转动。如果气流改变方向，例如，如果盛行风向改变，则流动的空气再次与该 尾翼发生碰撞。这使风向标将关于其枢接点一直转动到再次与气流方向一致为 止。
多数所熟知的风向标包括一个可以绕一个轴进行旋转的薄板，而不是如图 1和2所示的包括一个杆状指向器的风向标。通常该薄板被塑造为一种物体或 者动物的塑像，如公鸡、马，车等。这些风向标与上述风向标的工作原理相同， 薄板的作用相当于尾翼。然而，通常有一点不同的是，该薄板被延伸至旋转轴 的两侧。因此，盛行风在轴的两侧碰撞薄板。风在轴的一侧所施加的力将引起顺时针方向上的旋转，而同样的风在轴的另- -侧所施加的力将产生逆时针方向 上的旋转。如果这些力是相等的，则该风向标不旋转。因此，对于薄板的设置 来说，重要的是使其在轴一侧的表面积大于其在轴另一侧的表面积。这可以确 保由特定风压产生的作用于一个方向上的力将大于作用于相反方向上的力，所 以，主导的力将使风向标旋转至与盛行风向相一致的方向上。
通常，应用于流体流向指示器中的尾翼采用如图2a和2b中所示的形状。 然而，具有这种形状的尾翼存在以下缺点。第一，在低流速情况下，具有一个 基本水平的尾翼的流体流动指示器对于流体流向不是特别敏感。第二，具有一 个基本水平的尾翼的流体流动指示器对于流体流向的较小改变不是特别敏感。 第三，具有一个基本水平的尾翼的流体流动指示器易于"摆动"，即该尾翼易 于在流体流向的周围振荡。这给精确确定流向带来困难。
因此，需要对指示流体流向的装置进行改进。
根据本发明的实施方式，提供一种方向标，该方向标包括一个设置为绕一 个支点枢转的指向器，和一个安装在指向器上，能够与流体流动相互作用的尾 翼，该尾翼具有一个阻流部，设置为在平行于指向器纵轴的方向上抵抗流体流 动，该阻流部基本有效地使指向器绕支点枢转，并从而使尾翼转至与流体流向 一致的方向上。
优选地，该阻流部与支点之间具有偏距，使得该阻流部与流体流动之间相 互作用时能够产生- -作用在指向器上的、绕支点枢转的转矩。优选地，该阻流部凸出于该指向器而形成一个表面，该表面横切地延伸至 该指向器的纵轴。
该阻流部可以以这样的形式凸出于该指向器，既该尾翼自支点逐渐变宽。
该尾翼可以以这样的方式被截断，即使其在距离支点最远的端以一横穿指 向器纵轴的基本平整的表面终止。
优选地，该阻流部的结构是可以指引流体在尾翼的、邻近该阻流部近处表 面附近或者邻近阻流部远处表面附近流动，该阻流部的近处表面能够与邻近其 流动的流体相互作用，使得该指向器绕支点枢转到与流体流向 一致的方向上， 并且该阻流部的远处表面能够与邻近其流动的流体相互作用，而在指向器上作 用 一个绕支点的、与所述枢转运动方向相反的转矩。
该阻流部在平行于指向器纵轴方向上的长度可以大于其在横穿指向器纵 轴方向上的长度。
该尾翼可以是--个柱体，使得其中心轴横穿指向器的纵轴。该柱体在平行 于其与支点之间的轴线的一个平面上可以具有三角形横截面。该柱体在平行于
其与支点之间的轴线的一个平面上可以具有圆形横截面。该柱体在在平行于其 与支点之间的轴线的一个平面上可以具有半圆形横截面。
为了能够更好地理解本发明，参照以下附图进行说明，其中
图1示出了一种典型的风向标；图2a和2b分别示出了风向标与盛行风向不一致和相一致的情况；
图3示出了一种根据本发明具体实施方式
的风向标；
图4a至4f示出了根据本发明实施方式的尾翼的不同形状；
图5a和5b分别示出了传统水平尾翼和楔形尾翼在流体流动下的状态；
图6a和6b分别示出了传统水平尾翼和楔形尾翼在流体流动正在改变方向 下的状态；
图7a至7c示出了一种具有传统水平尾翼的方向标运动至与流体流向---致 方向上的过程；
图8a至8c示出了 一种具有楔形尾翼的方向标运动至与流体流向-^致方向 上的过程；
图3示出了一种根据本发明具体实施方式
的方向标。该方向标301包括一 个绕支点303枢转的指向器302，以及一个尾翼305。该方向标安装在支座 304上。该方向标与现有风向标的的工作原理相同，通过流体流动而作用在尾 翼上的力使其绕支点枢转至与流体的主导流向一致的方向上。
以下将通过例子对本发明进行说明。在所举例子中，尾翼具有特殊的形状。 这里虽然举出许多楔形尾翼的例子，但是其目的仅是列举实例。本发明包括许
多不同形状的尾翼，以下介绍其中的一部分。根据如图3所示，该方向标不同于现有风向标，因为，其尾翼不是基本水 平的。替代的是，该尾翼从旋转部向外凸出，使即使是在该尾翼与流体流向--致的情况下，其至少--个表面也向外伸入流体流动中。
根据本发明具体实施方式
的尾翼，与传统风向标所使用的水平尾翼相比， 其体积增大。概括地说，体积增大意味着相对于传统的水平尾翼而言，该尾翼 更容易被流体流动所"捕获"。因此，结合该种尾翼的方向标灵敏度更高，尤 其是在低流速的情况下。
灵敏度的增加部分由于增大体积的尾翼具有较大的向外伸出于流体流动 'P的表面积，使更多的流体会与该尾翼发生碰撞。因此，在同样的流体流动的 作用下，相对于作用在具有相当尺寸的基本水平尾翼上的力而言，会有更大的 力作用在增大体积的尾翼上。增大的力使该指向器关于支点具有更大的转矩。 因此，在低流速下可以克服任何对于旋转的、存在于指向器与其支座之间的枢 轴连接处的摩擦阻力。
本发明包括任何抵抗平行于指向器纵轴方向的流体流动的尾翼，该纵轴即
为指向器的、连接支点与尾翼的中心轴。然而，作为实施例，图4a至4d示出 了一些特殊形状的尾翼。图4a至4c示出了具有柱形尾翼的风向标。在图4a 中，柱体具有三角形横截面，即该尾翼为楔状。在图4b中，柱体具有圆形横 截面。在图4c中，该尾翼被截断，使柱体具有半圆形横截面。该尾翼并不是 必须为柱形。图4d示出了一种十字形的风向标，其中，十字架的每个臂均为楔状。这些特殊的形状仅是列举的实施例，并不应理解为是对本发明保护范围 的限制。
图4a和4c中所示的尾翼具有被截断的形状。发明人进行的实验表明，尾 翼以横穿指向器纵轴的平面终止对提高方向标的精确度具有重要的贡献。具有 这种截断形状的尾翼，可以在其尾部设置一个附加的风向标，以在指向器转向 与流体流向一致的过程中起辅助作用。图4e示出了具有这种形状的尾翼。可 选择地，该尾翼可以是逐渐变尖并终止于一个尖端的形状，而不是具有被截断 的形状。图4f示出了具有这种形状的尾翼。
现特别参照具有楔形尾翼的方向标说明根据本发明具体实施方式
的方向 标所具备的优点。
图4a所示的楔形尾翼提高了方向标的灵敏度。这个优势在低流速下尤为 明显，低速时，由流体流动作用于方向标上的枢转力很小。灵敏度的提高部分 是由于尾翼具有向外伸入流体中的成角度的表面。楔形尾翼的向外伸出的表面 与到来的流体流动之间的夹角比基本水平尾翼与到来的相同流体流动之间的 夹角大。这种对照关系如图4a和4b所示。
根据图5a和5b所示，流体流向与尾翼的向外伸出的表面之间的夹角，对 于楔形尾翼而言要大于基本水平的尾翼。因此，对于给定的流体流动，作用于
尾翼上的、垂直于连接支点与力的作用点的直线的力(即，引起风向标绕支点在枢转的力)，对于楔形尾翼而言要大于基本水平的尾翼。作用于尾翼上的力 增大，使得楔形尾翼在任何给定的流速下比水平尾翼更易做出响应。
在低流速下，作用亍基本水平尾翼上的力太小而不能克服存在于旋转部与 支座之间的枢接点处的摩擦力，因此增大枢转力是尤为有利的。就楔形尾翼而 言，在低流速下可以克服这种摩擦阻力，因而，使方向标更加灵敏。
该楔形尾翼更进一步的优势在于，其使方向标在流体流向改变较小的情况
下更加灵敏。通过图6a和6b可以认识到该优势，图6a和图6b中示出的水
平尾翼和楔形尾翼均与流体流向(虚线所示)一致。如果随后流体流向轻微地 改变(实线所示)，则可以看出，与水平尾翼相比，对于楔形尾翼，作用在风 向标上的转矩仍然是比较大的。
再次，流体流向的改变使得作用在具有楔形尾翼的方向标上的转矩增大， 这意味着，对于一定的流体流向改变，相对于具有传统水平尾翼的方向标，在 改进的方向标中，位于枢接处的摩擦力更容易被克服。这在流体流向改变较小 时尤为有利，因为，此时由流体流动所施加的在枢轴上转动的力较小。因此， 相对于具有传统水平尾翼的方向标，结合楔形尾翼的方向标对流体流动的改变 更加敏感。
可以看出，以上优势是由从旋转部的纵轴向外凸出的尾翼所带来的。因此， 虽然这些优势已经参照特定的楔形尾翼进行了说明，但是应当认为，本发明包
10括任何具有伸入与方向标的旋转部平行的流体流动中的尾翼、并因此，在使方 向标的方向与流体流向--致的过程中的作用显著。具有增大体积的尾翼的方向标，由于其在低流速下和流体流向改变较小时 更易响应，而因此具有改进的灵敏度。另外，增大体积的尾翼具备减轻"摆动" 的附加优势。具有传统水平尾翼的方向标对于摆动往往是敏感的，因为该尾翼会在流体流向周围振荡，而不是稳定地保持在与流体流向一致的状态。图7a示出了一个与流体流向不一致的基本水平的尾翼。根据图中所示，流体流动在碰撞尾翼 近处表面时一定快速地改变方向。因此，当其改变方向时，该流体在该表面上 施加一个力，这将使方向标绕其轴旋转，从而使得方向标转到与流体流向一致的方向上。该尾翼的前端同样作为一触发点702，该触发点702使邻近尾翼远 处表面的流体流动变得动荡。这种动荡引起压力下降，进而帮助拖拽方向标转 向与流体流向一致的方向上。图7b示出了一种与流体流向几乎一致的基本水 平的尾翼。在这种定情况下，流体流动相对于"方向不一致"的特定情况而言， 在流体碰撞尾翼的近处表面而改变方向，进而使方向标旋转至与流体流向一致 的方向上这方面是相似的。尾翼的前端702也作为触发点，使流体流动变得动 荡，进而引起压力下降，帮助拖拽方向标转向与流体流向一致的方向上。图 7c示出了一种与流体流向一致的方向标，此时，流体平行于方向标的纵轴流 动。图8a至图8c所示的情况与图7a至图7c所示的情况相似，只是图8a至 图8c中所示的方向标具有楔形尾翼。该方向标在其与流体流向不一致时的情 况与基本水平的尾翼的情况相似。流体碰撞楔形尾翼的近处表面而被迫快速改 变方向，因而在尾翼,.匕施加--个力，使方向标绕其轴旋转，并旋转至与流体流 向--致的方向..匕与基本水平的尾翼相比，该流体不得不在流向上产生一个更 大的改变，以适应楔形尾翼的有角度的表面，所以，施加于该尾翼上的力相对 比较大(解释如上)。楔形尾翼的前端同样作为触发点802而在流体流向该尾 翼的远侧时使流体流动变得动荡。该湍流使尾翼的远处平面附近的压力下降， 进而帮助拖拽该尾翼，并且由此拖拽该方向标，转向与流体流向--致的方向上。该楔形尾翼的平整的后端表面同样帮助其转向与流体流向一致的方向上。 楔形尾翼的后端以与该尾翼前端相似的方式而作为一个触发点，即，该尾翼的 最后面的二个边缘处均作为触发点。这使得在该尾翼后面的区域形成湍流，该 湍流在使指向器转向与流体流向 一致的方向上时起辅助作用。具有楔形尾翼的方向标，在其在与流体流向几乎一致时的情况与具有基本 水平尾翼的方向标在该情况下不同。该种情况如图8b所示。当该方向标与流 体流向几乎一致时，流体碰撞该尾翼的近处表面时一定改变方向，与上述情况 相同，并由此在该尾翼上施加一个力，该力使方向标绕其轴旋转。在该情况下， 与基本水平的尾翼处于与流体流向几乎一致的情况下不同之处在于该尾翼的 前端对正在从尾翼的前端流向远处表面的流体所产生影响。因为，尾翼的远处 表面相对于方向标的纵轴具有角度，正在越过尾翼前端的流体不需要如此突然地改变方向，以保持与尾翼之间的触碰。因此，楔形尾翼的前端与其在方向标充分地与流体流向不一致的情况F作为--个触发点不同，在该种情况下不是--j个触发点。替代的是，该流体在越过尾翼远处表面时保留--些层状的特征。因 此，该流体在越过楔形尾翼的远处表面时将在尾翼上施加一个力，该力的方向 与剩余流体作用在尾翼近处表面.匕的力的方向相反。作用于尾翼远处表面上的 力小于作用于尾翼近处表面.t.的力，因此，该方向标继续绕其轴旋转。然而， 在方向标转向与流体流向一致的过程中，作用于尾翼远处表面上的力将使方向 标的角速度减小。在方向标转向与流体流向-一致的过程中，作用于尾翼远处表 面-匕的力增大，并最终在方向一致的位置上与作用在尾翼近处表面上的力相雄 -、f o在方向标转向与流体流向 一致的过程中降低其速度可以抑制方向标由亍 其角动量的作用而超过方向一致的位置。超过方向一致的位置可以使方向标振 荡，因为尾翼被流体来回地推动，该流体首先在一个方向上碰撞尾翼，并随后 在另一个方向上碰撞尾翼，直到尾翼的角动量被充分地降低到可以使尾翼在与 流体流向一致的位置处保持稳定。采用基本水平尾翼的方向标尤其易于产生该 种振荡。因此，结合根据本发明具体实施方式
的尾翼的方向标不易在其与流体流向 一致的位置附近产生振荡，因为该尾翼的形状使方向标在其到达方向一致的位 置处减速。虽然，已经参照楔形尾翼对该有利影响进行了说明，但应当清楚的 是，本发明并不局限于任何特定形状的尾翼。尤其是，本发明包括任何具有以上述方式与流体流动相互作用的尾翼的方向标，使得该方向标可以在其接近方 向--致的位置处进行减速。当方向标与流体流向充分一致时，具有增大体积的尾翼显现了进一步的优势。图7c和图8c所示的基本水平的尾翼和楔形尾翼各自与流体流向一致。根据图中所示，当水平尾翼与流体流向一致时，没有力作用于水平尾翼的表面， 然而，楔形尾翼的有角度的表面意味着，该流体流动将继续与尾翼发生碰撞， 即使在楔形尾翼与流体流向一致的情况下。作用在楔形尾翼的每个向外伸出的 平面上的力，大小相等方向相反，从而，可以在与流体流向一致的情况下帮助 稳定平衡方向标。对于水平尾翼，由于没有该种稳定平衡的力作用在其上而因 此倾向于偏离流体流向。在另一种实施方式中，该尾翼可以具有圆形的横截面，柱体的中轴线横穿连接柱体和风向标支点的轴线(如图4b所示)。在该实施方式中，拖拽柱体 可以提高风向标指向流体流向的能力。尾翼可以设置在邻接支点的位置上，方向标相对于该支点在枢轴上转动。 然而，优选的是，该尾翼与支点之间具有偏距，该支点和尾翼之间的垂距意味 着，由于流体流动和尾翼之间的相互作用，将在指向器上产生一个相对于该支 点的转矩，对于给定的作用于该尾翼上的力，偏移的"杠杆作用"越大，则所虽然，图中所示的方向标均具有--个杆状的指向器，但是，应当理解为本 发明中的指向器可以是任何适合的形状。例如，指向器可以是相对于-一个轴旋 转的薄板。根据本发明实施方式的一种方向器，适于指示任何种类流体的流向。例如， 该方向标可以作为指示风向的风向标。可选择地，该指向器可以用作指示液体 的流向，如水。该方向标适于在如帆船、导航系统等领域中应用。由此，申请人在这里分别公开了每个单独的技术特征，并公开了两个或者 更多该种技术特征的任何一种组合，就此来说，本领域的技术人员在本发明说 明书的全部内容的基础上，根据常识能够实现该种技术特征或者组合，而不考 虑该种技术特征或者技术特征的组合是否解决了任何在这里公开的技术问题， 并且对权利要求的保护范围没有限制。申请人指出，本发明可以包括任何该种 技术特征或技术特征的组合。鉴于前述的说明，本领域的技术人员应当清楚地 是，在本发明的保护范围内可以进行各种形式的变形。
权利要求
1. 一种方向标，包括一个设置为绕一支点枢转的指向器；和一个安装在指向器上，与流体流动相互作用的尾翼，该尾翼具有一个阻流部，以在平行于指向器纵轴的方向上抵抗流体流动，该阻流部显著有效地使指向器绕支点枢转，并从而使尾翼转向与流体流向一致的方向上。
2. 根据权利要求1所述的指向器，其中，该阻流部与支点之间具有偏距，使 得该阻流部与流体流动之间相互作用时能够产生一作用在指向器上的、绕支点 枢转的转矩。
3. 根据权利要求1或2所述的指向器，其中，该阻流部凸出于该指向器而形 成一个表面，该表面横切地延伸至该指向器的纵轴。
4. 根据上述权利要求中任何一个权利要求所述的指向器，其中，该阻流部以 这样的形式凸出于该指向器，既该尾翼自支点逐渐变宽。
5. 根据上述权利要求中任何- ^个权利要求所述的指向器，其中，该尾翼以这样的方式被截断即，使其在距离支点最远的端以一横穿指向器纵轴的基本平 整的表面终止。
6. 根据....匕述权利要求中任何---个权利要求所述的指向器，其中，该阻流部的 结构是能够指引流体在尾翼的、邻近该阻流部近处表面附近或者邻近阻流部远 处表面附近流动，该阻流部的近处表面能够与邻近其流动的流体相互作用，使 该指向器关于支点在枢轴上转动到与流体流向一致的方向-匕，并且该阻流部的远处表面能够与邻近其流动的流体相互作用，而在指向器上作用一个关于支点 的、与所述在枢轴上转动运动方向相反的转矩。
7. 根据上述权利要求中任何一个权利要求所述的指向器，其中，该阻流部在 平行亍指向器纵轴方向上的长度大于其在横穿指向器纵轴方向上的长度。
8. 根据上述权利要求中任何一个权利要求所述的指向器，其中，该尾翼是一个柱体，使其中心轴横穿指向器的纵轴。
9. 根据权利要求8所述的一种指向器，其中，该柱体在平行于其与支点之间 的轴线的一个平面上具有三角形横截面。
10. 根据权利要求8所述的指向器，其中，该柱体在平行于其与支点之间的轴 线的- -个平面上具有圆形横截面。
11. 根据权利要求8所述的指向器，其中，该柱体在平行于其与支点之间的轴 线的 一个平面上具有半圆形横截面。
12. —种基本参照附图进行.匕述说明的指向器。
全文摘要
一种方向标，包括一个设置为绕一支点枢转的指向器；和一个安装在指向器上，与流体流动相互作用的尾翼，该尾翼具有一个阻流部，以在平行于指向器纵轴的方向上抵抗流体流动，该阻流部显著有效地使指向器绕支点枢转，并从而使尾翼转向与流体流向一致的方向上。
文档编号B63B49/00GK101522513SQ200780031297
公开日2009年9月2日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年7月4日
发明者裘德·巴克米尔 申请人:裘德·巴克米尔