CN1325327C - 在表面上的凹穴 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在机体表面上的结构，其用于减小相对于机体位于或靠近的介质的阻力。所述结构包括多个孔穴(1、20、40、60)。在其中形成有孔穴的表面是封闭的。所述孔穴具有与其相邻的碎裂边缘(5、25、44、66)，并且所述碎裂边缘位于孔穴的上游，以便使最靠近所述表面的流动介质在通过所述碎裂边缘时形成紊流。孔穴距表面具有至少大约2mm的最大深度，所述碎裂边缘基本横向于所述介质的流动方向延伸，且所述孔穴的底部沿流动方向的宽度增大。

Description

在表面上的凹穴
技术领域
本发明涉及在机体表面上的结构，其用于减小相对于机体位于或靠近的介质的阻力。本发明特别涉及能够减小船和飞机等交通工具(特别是船只)的水和/或空气阻力的结构。但是，本发明也可用于输送气体和/或液体的管件的内部，例如在通风系统、流体输送器(如碳氢化合物的输送器)、通向水电站或与波浪发电站相连的落水管中。
背景技术
在自然界中已知大量的动物具有能够减小流动阻力的表面构形。鸟类具有能够形成粗糙表面的羽毛，而鱼、鲨鱼和桠鱼则具有鳞片。这些表面结构所共有的特点是：它们能够沿其身体表面破坏空气或水的层流，从而形成小面积的紊流。由于流动介质相对于动物身体的速度在所述表面附近约等于零，因此层流会产生较大的流动阻力。所以，较薄的流动介质层形成在所述表面附近，从而在动物身体上产生阻力。粗糙的表面将会破坏该流动介质层并产生紊流，因此，大大减小了流动阻力。
目前，已知有几种表面结构能够利用这一效果。
US3 184 185披露了在机翼上侧的结构。在其表面上冲出多个孔。冲出的部分孔相对于所述表面以一定角度且以舌头状伸出。由于孔的形状，因此，将从机翼的内侧，经这些孔导出空气。这股气流会产生向上的力，从而产生提升力。
US3 451 645披露了一种与前面所述类似的装置。此处，在机翼的上侧设有弧形薄板。在每一薄板之间均形成一个狭缝。空气经该狭缝从机翼的内侧流出，并且随后沿薄板的弧形部分流动。
US4 753 401披露了多个安装在机体表面上的部件。每一部件均具有开孔8，在这些开孔上方设有多个肋4，在这些肋之间具有较浅的槽5。几个部件一个接一个地设置，以便开孔和肋在一直线上。在每一部件之间均形成一个狭缝9，其穿过由开孔8形成的通道6A与通道6B连通。当低压流体流过时，能够从通道6A和6B导出流体。当高压流体流过时，流体将会流入通道6A和6B内。由此能够减小流动阻力。
US5 386 955披露了一种凸起的表面，这些凸起呈大致三角形肋的形状。形成一些相对较大的肋，并且在这些肋之间形成大量较小的肋。一种方案包括多个三角形肋，这些肋沿流动方向具有增大的剖面。
US5 476 056披露了在船身表面上的各种结构。在一些方案中，这些结构为波状凸起。在另一些方案中，它们为更不规则的凸起。将空气导引至所述表面上，以便形成一空气层。
尽管一些已知的表面结构在减小流动阻力方面具有一定效果，但是这些表面仍具有许多缺点。US3 184 185和US3 451 645中的装置取决于空气可以流出的在表面内侧的孔穴。US5 386 955披露了设置多个非常小的、大致三角形的肋，这些肋的高度为大约70μm，这些肋在一些方案中是横穿流动方向设置的，而在另一些方案中是沿流动方向设置的。虽然在这些肋处会形成某种紊流，但是这种紊流因肋的尺寸而具有有限的效果。这些肋仅在非常高的速度(0.5马赫)下才是适合的。在如船只以及快艇的低速下，这些肋将没有什么作用。另外，肋完全由涂敷在船身上的防污剂覆盖，因此会使效果降至零。
US5 476 056披露了将空气导引至船身表面。为了运行，其要求配备昂贵的泵送设备和能量。
US4 753 401或许为上述几种情况中的最佳方案，但远非理想的方案，另外其制造非常复杂。
另外，GB2 068 502披露了用于涡轮叶片的表面结构。这些表面结构的形状可采用毛发状或凸起部分。凸起部分的形状为位于所述表面上的半锥形。
另外，在DE3 534 268中披露的表面结构的形状为从所述表面突起的薄叶片形，或可采用高度沿流动方向增大的锥状三角形。
具有呈凸起部分形状的结构的缺点首先在于：外部影响容易使它们损坏。另外，已发现它们并不具有如具有互补形状的孔穴那样的良好效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，并且还能使在效率、经济性、制造性以及维护性方面的效果达到最佳。另一个目的在于提供这样的表面结构，这些表面结构不但适于在如船只、快艇、水电管件等中产生的低速和中速下使用，而且还适用于以中速飞行的客机。
本发明的目的是这样实现的：
根据本发明，提供一种在机体表面上的结构，其用于减小相对于机体位于或靠近的介质的阻力，其中，所述结构包括多个孔穴，所述表面是封闭的，所述孔穴具有一个与其相邻的碎裂边缘，使所述碎裂边缘位于孔穴的上游，以使最靠近所述表面的流动介质在通过所述碎裂边缘时形成紊流，并且孔穴距表面具有至少大约2mm的最大深度，其特征在于：所述碎裂边缘基本横向于所述介质的流动方向延伸，且所述孔穴的底部沿流动方向的宽度增大。
优选地，所述孔穴的底部起始于在弧形端壁处的碎裂边缘。
优选地，所述孔穴具有一个在所述表面的平面中的上游碎裂边缘，以及一个沿流动方向的深度减小的下游部分。
优选地，孔穴为大致液滴状，并且所述点滴状的狭小端朝向下游。
优选地，孔穴具有大致扁平的底部表面，该底部表面沿流动方向朝所述表面延伸并且与所述表面重合。
优选地，孔穴的深度为至少5mm，最好为5-15mm。
附图说明
下面，参照附图对本发明作更详细地说明。其中：
图1为一组本发明的表面结构的透视图；
图2为图1中表面结构的纵向剖面图；
图3显示了本发明的表面结构的另一实施例；
图4显示了本发明的表面结构的第三实施例；
图5为图4中表面结构的纵向剖面；以及
图6显示了其它表面结构。
具体实施方式
图1和2分别以透视方式以及沿水流方向的剖面显示了表面结构。表面结构1为形成在表面3上的孔穴，所述表面3可以是船身的表面。每一表面结构1从位于表面3的平面中的下游边缘4至位于表面3下方一定距离处的上游碎裂边缘5均具有一个以一定角度从表面3向下伸出的倾斜底部表面2。所述距离为至少1mm，最好为5-15mm，但根据水流通过表面结构1的速度，也可等于25mm。底部表面2的长度最好为15-60mm或更大，但是根据水流通过表面结构1的速度，也可超出该范围。
边缘6和7在下游边缘4和上游碎裂边缘5之间延伸。边缘6和7从下游边缘4朝上游碎裂边缘5发散，从而使底部表面2在上游端处比在下游端处更宽。侧壁9存在于边缘6和表面3以及边缘7和表面3之间。碎裂边缘5以及边缘6和7均起到流过表面结构1的介质的碎裂边缘的作用。
由上游碎裂边缘5开始，一个端壁8还从表面3向下延伸。端壁8为弧形，以便使表面结构1的水平剖面具有如一块馅饼那样的常规形状。但是，端壁8也可是直线状的，以便使表面结构具有截头三角形的形状。
箭头10表示水流通过表面结构1的方向，所述表面结构1可位于例如船只表面上的吃水线之下。水流过碎裂边缘5并且还流过边缘6、7。此处，层流被破坏，并且大大降低了水在表面3上的附着。
图3显示了大致以与图1中表面结构1相同的方式形成的表面结构20，但是此处代替汇聚，所述边缘是发散的。因此，表面结构20包括一个底部表面22，该底部表面以一定角度伸入一个从下游边缘24至上游边缘25的表面。边缘26和27在下游边缘24和上游边缘25之间延伸。在所述边缘和表面之间存在侧壁29。
这些边缘从上游边缘朝下游边缘发散，以便底部在下游端处比在上游端处宽。
一端壁28从上游边缘25伸出并且从表面3向下延伸。端壁28为弧形，以便使表面结构20的水平部分具有如一块馅饼那样的常规形状。但是，端壁28也可采用直线状，从而使表面结构具有截头三角形的形状。表面结构20在竖直剖面中具有与表面结构1相同的形状。
在图3中，箭头30表示水流通过表面结构20的方向。如果例如表面结构20设置在船身上，那么将会在起到碎裂边缘作用的上游边缘25处破坏层状水流，从而产生穿过并局部向下进入由表面结构20形成的孔穴内的涡流31。
该孔穴的最大深度为至少1mm，最好为5-15mm，但根据水流通过表面结构20的速度，也可等于15mm。底部表面22的长度最好为15-60mm或更大，但是根据水流通过表面结构20的速度，也可超出该范围。
图3的表面结构20最适于大于大约40节的流速。
图4和5显示了一种大致呈水滴状孔穴41的形状的表面结构40。水滴状孔穴41的最宽端部42具有球体截面的常规形状并且面向下游，而最窄端43具有圆锥截面的常规形状，并且其尖端面向上游。在较宽的端部，贴着表面3形成有边缘44。该边缘作为沿表面3的水流的碎裂边缘。流动介质沿箭头50的方向流动，从而在边缘44处碎裂为涡流。孔穴41的最大深度为至少1mm，最好为5-15mm，但根据水流通过表面结构40的速度，也可等于25mm或更大。孔穴沿水流方向的长度最好为15-60mm。
代替沿下游方向逐渐变细，该表面孔穴也可沿下游方向变宽，如图3的实施例所示。
图6显示了另一种表面结构。其最适于小于大约15节的较低速度。表面结构60由一屏幕状壁61形成。壁61可采用例如截头圆锥体的一部分或斜置圆柱体的圆柱体壁的一部分。因此，壁61在上游具有凸形形状，在下游具有一凹形孔穴。沿壁61形成一个顶部边缘66和两个侧部边缘67和68。这些边缘起到水流介质的碎裂边缘的作用。
壁61最好通过由一块板64冲压而成，从而能够形成一个孔65。随后，可以将板64固定在表面3上，以便表面3封闭孔65。固定方式可采用胶、铆钉、螺钉或焊接等，所有这些均应取决于板64和表面3的材料。流动介质沿箭头70的方向流动。当流动介质(即水)冲击至壁61上时，其会向屏幕状壁61的任一侧偏转并且沿屏幕状壁61向上偏转。当水流通过起到碎裂边缘的侧部边缘67、68和顶部边缘66时，会形成涡流71、72和73。以此方式，会破坏沿表面3的层流。
表面结构60的高度为至少1mm，最好为5-15mm，但根据水流通过该表面结构的速度，也可等于25mm或更大。表面结构沿水流方向的长度最好为15-60mm。
如图1、3、4和6所示，表面结构以略微交错的方式，最好呈列状设置，以便使一列中的表面结构位于相邻列中的表面结构之间。
如上所述，本发明也可用于管的内部，可用于存在的管道沟槽或类似位置处。在例如通风烟囱中，可以利用板条使具有所述表面结构的板条固定就位。此处，板条可由例如塑料制成。在输送流体的新型管件中，相似的表面结构可以以环状安装在管件的流动端处，以便在每一管接头处提供紊流环。越靠近这些环，流动的速度就越高。如塑料这样的材料必须具有足够的刚性来破坏层流层。如果这些紊流环的材料过软，则其效果将会消失。
在机翼或风车叶片的前沿也可使用所述表面结构。

Claims (6)

1.在机体表面上的结构，其用于减小相对于机体位于或靠近的介质的阻力，其中，所述结构包括多个孔穴，所述表面是封闭的，所述孔穴具有一个与其相邻的碎裂边缘，使所述碎裂边缘位于孔穴的上游，以使最靠近所述表面的流动介质在通过所述碎裂边缘时形成紊流，并且孔穴距表面具有至少大约2mm的最大深度，其特征在于：所述碎裂边缘基本横向于所述介质的流动方向延伸，且所述孔穴的底部沿流动方向的宽度增大。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述孔穴的底部起始于在弧形端壁处的碎裂边缘。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述孔穴具有一个连接所述表面的上游碎裂边缘，以及一个沿流动方向的深度减小的下游部分。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：孔穴具有大致扁平的底部表面，该底部表面沿流动方向朝所述表面延伸并且与所述表面重合。
5.根据前面权利要求中任一项所述的结构，其特征在于：孔穴的深度为至少5mm。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于：孔穴的深度为5-15mm。
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