生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之二能源篇)
6、3:减少流体形状阻力:
如何减少另一类形状阻力呢?当流体与固体相冲击时,因流体与固壁面相对速度大,又成一定角度甚至垂直冲击,后面的流体因惯性冲开前面的流体直接与固壁撞击,所以流体与固壁面的碰撞能量、动量损失极大,这是形状阻力的主要组成部分,如能控制乃至阻断流体在转向时对固壁面的直接冲击,就可解决形状阻力(及类似阻力)减阻的问题。但流体很难控制其运动状态,不过我们平时都知道,瓶子中装满水时,水受限于瓶子,控制瓶子的运动就控制了水的运动。
受此启发,高效流体减阻技术提出减少形状阻力的方案是:在流体转向位置时预先设置曲率符合要求(往往是圆弧)的固壁面(轨道),同时在流体中间每隔一定间距插入(叶片状)机械装置,将流体分成多个限定的区域(与“瓶子”类似),从而控制其流动使其运动状态与固体类似,就像水装在瓶子中一样,装满水的瓶子就相当于固体;强制干预流体流动使其沿着固定壁逐步改变速度方向,而固定壁面对流体的反作用力始终垂直于其速度方向,也刚好提供了流体以圆周运动方式转变运动方向所需的向心力,从而避免了流体改变流向时的流固冲击损失,即形状阻力。
下图所示为其特殊的情形,可帮助我们理解如何避免形状阻力的:可运动的内管悬浮于固定不动的外管中,外管转弯半径是预先计算并设置好的,内管壁面内沿着垂直于运动方向按预定间距布设随同流体一起运动的叶片,相当于把流体装进了限制的“瓶子”,内管就是一个可控制的整体;内管在向心浮力作用下自动转弯,也带动内管包裹着的流体自动转弯,(就像装满流体的悬浮列车自动转弯),从而避开了流体转弯时对外管管壁的冲击,也就是说避开了形状阻力。
6、4:具体应用设计:这是基本原理简介,在内流领域应用比较好理解,只在内、外管之间需要再布设多重减阻膜片减少相应的流体摩擦阻力就行了;而在外流领域(如飞艇、舰船、潜艇、鱼雷、高速列车等),其头部流体就要作特殊处理;在外流时涉及形状阻力减阻和摩擦阻力减阻。首先是将运动体头、尾部形状阻力问题解决以摆脱流线型线的限制,再在其狭长的两侧布置摩擦阻力减阻装置,方案是:在航行体艏部(头部)将航行体迎流面途经路径上的流体通过内部流道分散排向两侧比较长的距离上,从而将很复杂的(外流)艏部形状阻力减阻转化为相对较简单的内部流道摩擦阻力减阻,以较低速度的船舶为例:
而如果速度较大的船舶、飞艇等场合,就必须控制从两侧排除流体的动量改变量,进一步减少能量损失而提高速度,如下图所示意,被减阻航行体横截面上的流体被划分成多个区域,每个区域的流体都进入对应的流道,其中流体发生一次转向的暂称为单转流道,发生二次转向的称为双转流道。在改变了一个较小的速度方向后分散并分别排在航行体艏部两侧前端较长的距离上,再流向航行体尾部,这样排向两侧的流体动量基本上没有大的改变,相应的航行体动量也不会有大的改变,却使其形状阻力(含船舶中的兴波阻力等)进一步大幅度减少。
由于其减少各种流体阻力有望达90%乃至99%以上,从而使流体速度成倍乃至成十倍提高,在外流领域可设计出高速飞艇、舰船、潜艇、鱼雷等,由于在航行体头部将迎流面途经路径上的所有流体分区域通过对应的内设多层减阻膜片的流道分散并转向分别排往两侧比较长的距离上,从而高效减少形状阻力并消除流线型线的影响,且利于两侧布置摩擦减阻,并且其外部型线摆脱流线型线影响而变得比较规整;例如设计出时速有望超过高铁、直升机的高速太阳能飞艇。
内流领域提出了一种新的高速管道运输系统,它可看做对现有水力容器管道运输系统进行改进,在封闭的柔顺连接的外管系统中设置可移动、转弯、自动开闭、悬浮于循环流动的水中沿着外管运行的内管,相当于所谓的"悬浮管道列车",流体或物料装在内管中运输,或装入特制容器后裹在内管中运送,同时阐述了相应的结构设计细节以固定内管运行位置、调整特制容器比重、设置高效率驱动装置、物料进出该系统的机构等,使之可突破极限超高速运行。从而设计出速度成十倍提高而运能巨大的输水、货运管道系统、及各类高速管道运输系统等。
下图分别为内流管道运输系统的纵、横剖面结构示意:
下表是各类相关的管道运输系统每公里经济技术指标(每千米计)
下表是各类相关的管道运输系统每公里经济技术指标(每千米计)初步预估
6、5:相关文献:当然这些只是简单的摘要性介绍,详细的理论阐述、推演计算的论文具体查阅相关论文可见
《中国计算力学大会2014暨第三届钱令希计算力学大会奖颁奖大会论文集》之《一种流动控制方法及应用设想》
或第八届全国流体力学会议论文集,湍流与稳定性:《一种流动控制方法及应用设想》;
或:《多种用途的高速管道运输系统的设想》中国机械工程学会物流工程分会管道物料输送技术专业委员会八届二次理事会暨学术交流会, 2013;
或期刊硫磷设计与粉体工程,2016年第1期:《一种高效减阻的高速管道输送系统的设想》;
及2017年第3期:《多用途高速液垫结合高效减阻管道输送系统的设想》等。
专利文献见:中国专利:ZL2010800512160,ZL2006101067324;美国专利:US 9441650 B2。
在这些权威学术会议或专业刊物发表这些论文,本意是这一惊世駭俗的设想引起广泛争论,在争论中辨明技术真假从而利于该技术的推广,不料出乎意料的是中国乃至各国力学界、尤其流体力学界至今都保持沉默,其实权威学者们的顾虑是可以理解的,看来有些事情是急不得的。当然谨在此对冒着重重风险允许、协助发表这些文章的专家学者及热心支持、扶助新技术、新事物成长的科学家们一并表示衷心的感谢。
人类在发展,社会在进步,究其原因,是人类对自身生存发展的必然要求。正如每一次工业革命一样,都会引领人类走向一个新的开始,新的进步。和前几次工业革命一样,新生事物产生之初,仅限于一个小范围内,并不被所有人所知,也不一定被所有世人所认可。但是,向上的事物永远都会穿越一切障碍,最终展现在人们的面前。我相信,高效流体减阻技术也将如此。
高效流体减阻技术随着应用领域不同而具体产品设计也千差万别,与发展能源草产业进而完成能源转型密切相关的主要为三个产品的应用:高速太阳能飞艇,高速管道运输系统,特别强调由高速管道运输系统派生的高速调水河道。
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