專利名稱：用于減少物體在流體中的流動阻力的結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有流體能夠流過的至少一個表面的物體，所述表面具有限定流過所述表面的主流動方向的球狀路徑，其中所述表面至少局部地具有用于減少物體的流動阻力的結構，所述結構具有用于引起流體渦流的至少一個凹部，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面。本發明還涉及具有相應表面結構的膜。
背景技術：
不僅在飛機構造中而且例如在船舶構造中或在設計高速列車和汽車時，非常重要的是要獲得一種具有盡可能小阻力的形狀和表面。具有良好的流動特性即低流動阻力的飛機、船舶和汽車的優點不僅在于一方面具有低能量要求因而低燃料消耗，而且另一方面在于使用相同的驅動動力可實現更高的速度。總之，具有低流動阻力的物體能更加有效地移動通過流體，如空氣或水，這對于能耗高的地方是特別重要的。美國專利US 2，899，150公開了一種在空氣中具有低表面摩擦的飛機翼。在這個例子中，圓形凹部以槽狀橫向于飛行及流動的方向設置在飛機翼的表面上。因此，在凹部中出現了有助于減少翼的流動阻力的空氣渦流。這種概念還體現在美國專利US 6，363，972中，各種形狀的凹部設置在空氣流過的物體的表面中。然而，這兩種結構缺點是仍然令人不滿意的高的流動阻力。特別是噴氣推進式飛機的情況下，噴氣式引擎內部的流動阻力對于飛機整體的流動阻力會產生顯著的影響。推進裝置內部的氣流有時會高達超音速，或者在超音速飛行條件下已經處于超音速。在這種情況下，會發生特定的流體動力效應(還未被完全理解)，導致用于減少空氣流過的表面的流動阻力的傳統結構(如上述提及的那些結構)效率變低。

發明內容
因而本發明的目的在于進一步減少物體在流體中的流動阻力。該目的還包括在速度超過音速的流動條件下也要有效減少物體的流動阻力。該目的借助權利要求I、14和15的主題實現。有利的進一步實施例通過從屬權利要求實現。本發明的對象是具有流體能夠流過的至少一個表面的物體，所述表面具有限定流過所述表面的主流動方向的球狀路徑。其中所述表面至少局部地具有用于減少所述物體的流動阻力的結構。在該情況下，所述結構具有用于引起流體渦流的至少一個凹部，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面。所述物體的特征在于，所述結構具有用于將流體流引導入所述凹部的至少一個導入部，所述導入部朝著所述凹部與主流動方向成角度，并且在主流動方向上布置在所述凹部的上游。借助所述結構，能夠在所述凹部內引起流體渦流并且能夠使流體渦流大致集中在所述凹部內。因此所述物體具有在相當大區域上延伸的表面。在這種情況下，該表面可以是平的表面或者也可以是彎曲的表面。根據所述物體的入射流動方向應用的情況，所述表面的、球狀路徑限定流體流過所述表面的主流動方向，在某種程度上說是平均流動方向。在這種情況下，所述表面上的小的結構僅具有較小的作用。根據本發明的所述物體的表面具有這樣的結構，該結構包括用于引起流體渦流的至少一個凹部，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面，并且是適當配備的用于引起流體渦流。所述結構還包括導入部，所述導入部是適當配備的用于將流體流引導入所述凹部。一方面，所述導入部朝著主流動方向在所述凹部的上游，使得流過所述表面的流體流首先經過導入部，然后通過該導入部被引導入所述凹部。另一方面，所述導入部朝著所述凹部與主流動方向成角度。這意味著所述導入部在垂直方向上朝著所述凹部成角度，球狀表面水平延伸。結果就是，流過所述表面并經過所述導入部的一部分流體流被所述導入部引導入凹部。由于凹部的設計和所述流體流，在所述凹部中產生流體渦流，由于所述凹部的設計使得所述流體渦流大致保持在所述凹部內部。在這種情況下，對于以100km/h (大約27. 8m/s)的速度流過表面的空氣來說，所述凹部的大致圓弧段狀橫截面的直徑可以優選為8_。優選直徑隨著期望的空氣流動速度而線性增加。在水作為流體的情況下，對于以6km/h(大約I. 7m/s)的速度流過表面的水來說，所述凹部的橫截面的直徑優選為8mm。這意味著所述凹部的直徑取決于所期望的流體流的 類型。在氣體的情況下，對凹部定尺寸的經驗公式是d=8*v/1000，其中d表示以厘米為單位的凹部的直徑，V表示以km/h為單位的流體流的速度。所述凹部中的表面優選地涂有TiO2,從而在所述凹部內集中的流體渦流與所述凹部的邊緣之間實現特別低的流動阻力。所述凹部也可以具有與圓形形狀不同的橫截面。這意味著直接流過所述表面的流體流的一部分通過所述導入部和所述凹部被可靠有效地轉化成了流體渦流(亥姆霍茲渦流)，所述流體渦流大致保持在所述凹部內部。所述流體渦流大致保持在凹部內部的事實意味著位于凹部中的流體的大多數微粒以靜止的渦流保持在凹部中，也就是說它們不會被引導出凹部。由于持續的流體流動，凹部中集中的流體渦流將引導流體微粒越過流體渦流。因為流體渦流具有旋轉速度，所以流體渦流的外緣與被直接引導越過流體渦流的流體流之間的速度差是非常小的，使得與流動速度成比例增加的所述物體的流動阻力也能夠保持非常小。在流體渦流的區域中，流過表面的流體流因此不會與(靜止的)物體直接接觸而是僅與渦流的外緣接觸。此外，由于導入部，對于流體流的超音速來說，也可有效減少流體阻力。在優選的實施例中，凹部大致橫向于主流動方向延伸，特別地是槽狀。當所述凹部橫向于主流動方向在物體上延伸時，這種表面結構的效果最大。與已知的結構相比，從垂直方向到主流動方向高達45°的角度偏移仍然能夠使得流動阻力顯著地減少。在特別優選的所述結構的槽狀的實施例中，所述凹部橫向于主流動方向在整個表面上延伸。有利地，所述結構具有多個凹部，其中多個凹部中的凹部特別地在主流動方向上一個接一個地布置。當在主流動方向上一個接一個地布置的多個凹部設置在所述物體的表面上時，所述結構特別地有效。因此，所述物體的大面積能夠設置有所述結構，因此能夠特別有效地減少流動阻力。在這種情況下，流過所述物體的表面的流體流的隨后的微粒幾乎不撞擊物體的表面，而是被流體渦流差不多完全引導離表面。在這種情況下，最接近表面的流體流層的速度與流體渦流的速度之間的差是非常小的，因此流動阻力也非常小。在有多個凹部的情況下，特別有利的是，相鄰的凹部以圓弧段狀橫截面的直徑的I倍至6倍彼此隔開，特別地I. I倍至I. 75倍，優選I. 25倍至I. 5倍，并且特別優選是I. 25倍。在每種情況下，所述凹部之間的距離被確定為是在相鄰的凹部的中心位點之間。通過以這種方式定尺寸的所述凹部之間的距離，能夠優選朝著主流動方向實現流動阻力特別大的減少。有利地，所述導入部是彎曲的。在這種情況下，曲率半徑優選為圓弧段狀橫截面的直徑的I. I倍至I. 75倍，特別是I. 25倍至I. 5倍，特別優選為I. 25倍，其中如果曲率半徑為圓弧段狀橫截面的直徑的2倍至6倍，這也是有利的。直接流過物體的表面的流體流由于這種曲率而以特別低的摩擦和安全的方式被引導入凹部中。導入部優選地以這樣的方式配置；在所述導入部的第一位點處所述主流動方向與平行于所述主流動方向的切線之間的傾斜大于在第二位點處的所述傾斜，所述第二位點相對所述第一位點位于所述主流動方向的上游。這意味著導入部與主流動方向的傾斜在流動方向上增加。這不需要持續發生，也可以存在導入部的與主流動方向呈不同傾斜的離散部分，因此所述傾斜從一離散部分到另一離散部分增加。在進一步優選的實施例中，凹部具有第一邊緣和第二邊緣，所述第一邊緣在所述導入部與所述凹部之間且位于所述主流動方向的上游，所述第二邊緣在所述凹部與位于下 游的所述表面的部分之間且位于所述主流動方向的下游。同時，所述第一邊緣相對所述第二邊緣大致朝著所述物體的內部偏置，從而在所述凹部內引起流體渦流。在本文中，邊緣被理解為表面的方位突變。邊緣存在于每個凹部與圍繞其的表面的一部分之間的過渡處。所述第一邊緣相對所述第二邊緣大致朝著所述物體的內部偏置的事實反過來意味著所述第二邊緣相對所述第一邊緣一定程度上從凹部突出。所述第二邊緣因此為進一步的元件，其使得引導流體流進入凹部更加容易并且還制造出尤其用于超音速流速下減少流動阻力的結構。在這種情況下，凹部的位于最上游的位點，即凹部的邊緣，相對第一邊緣朝著物體的內部偏置是有利的，從而使得將流體渦流大致集中在凹部內部。凹部的位于最上游的該位點位于第一邊緣之下。在這種情況下，這意味著凹部的邊緣上的這樣的位點自該位點開始，沿著凹部邊緣行進的流體流總是(部分地)向下游移動，即朝著主流動方向移動。在凹部的圓弧段狀橫截面的情況下，該位點典型地是凹部邊緣上的具有垂直于主流動方向的切線的位點。這意味著在第一邊緣上的凹部內部的流體渦流的流體微粒至少部分地朝著主流動方向移動。這關系到確保將流體渦流大致集中在凹部內部。 在優選的實施例中，第二邊緣相對所述凹部的中心點在主流動方向上以所述圓弧段狀橫截面的半徑的0. I倍至0. 6倍或者0. I倍至0. 5倍偏置，優選為0. 25倍，特別優選為0. 3倍。“第二邊緣相對于圓弧段狀凹部、更準確地相對于其中心點一即限定橫截面的圓的中心位點的位置”的這種布置從而允許特別有效地減少表面的流動阻力。這關系到一方面渦流在相應凹部內部的穩定集中，另一方面關系到與導入部協作有效地將流體引導入凹部。第二邊緣有利地具有突起，該突起逆著主流動方向并且朝著凹部成角度，用于引導流體渦流進入下個凹部。所述突起迫使流體渦流保持在凹部內部，使得流體渦流的流體微粒停留在凹部中而不會導出凹部外。因為由于流體流過物體的表面使得額外的流體微粒進入到凹部，使用可壓縮流體如空氣，所以流體渦流的內部壓力會上升，由此流體渦流會延伸。因此，一部分流體渦流將會延伸越過第二邊緣，由于成角度的突起，該突起相對主流動方向優選傾斜10°至20°的角度特別優選為17°，這部分流體渦流在主流動方向上被引導入下個凹部。因此，沿主流動方向形成從一凹部延伸到一凹部的氣墊，這使得摩擦有效地減少。凹部的橫截面的圓弧段在270°至300°之間是有利的，優選地在280°至300°之間，特別優選為290°，使得凹部在其橫截面的90°至50°之間的角度范圍內是敞開的，優選80°至60°之間的角度范圍內，特別優選為70°的角度范圍。然而，凹部的橫截面的圓弧段是在181°至315°之間、特別在260°至290°之間，使得凹部在其橫截面的179°至45°之間、特別在100°至75°之間的角度范圍內是敞開的，這也是有利的。在這種情況下，開口的角度范圍還取決于流體流的期望速度。凹部的相應的定尺寸的開口可用于特別有效地減少表面的流動阻力，因此減少流體流過或繞流的物體的流動阻力。根據本發明的流動通道，特別是超音速流動通道，包括上述的物體。因此可保證通過流動通道的特別低的摩擦的流體流。特別地，流體通道可以在噴氣式引擎內部，具有超音速的流體流可以至少部分地存在于噴氣式引擎中。根據本發明的噴氣式引擎和根據本發明的提升裝置也設置有上述的物體。在這種情況下，提升裝置、流動通道或噴氣式引擎優選地 具有流體流過的表面，該表面基本完全地設置有上述的結構。根據本發明的進一步的方案，膜包括用于減少物體的流動阻力的結構，流體在主流動方向上流過所述物體或繞流所述物體，并且所述膜能夠應用于物體的表面。在這種情況下，所述結構具有用于引起流體渦流的至少一個凹部，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面。膜的特征在于，所述結構具有用于將流體流引導入所述凹部的至少一個導入部，所述導入部朝著所述凹部與所述主流動方向成角度，并且在所述流動方向上布置在所述凹部的上游。借助所述結構，能夠在所述凹部內引起流體渦流并且能夠使流體渦流大致集中在所述凹部中。因此根據本發明的膜適用于通過用該膜涂覆幾乎任何物體來創建根據本發明的物體。本發明的進一步的方案在于表面結構的使用，流體能夠在主流動方向上流過所述表面結構，所述表面結構具有用于引起流體渦流的至少一個凹部，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面，所述凹部具有用于將流體流引導入所述凹部的導入部，所述導入部與所述主流動方向成角度并且在所述主流動方向上布置在凹部的上游，從而減少設置有所述表面結構的物體的流動阻力。進一步優選的實施例來自下面的附圖和全部權利要求的描述。


圖I以側向剖視圖示出了根據優選實施例的具有表面結構的物體的剖面。圖2以側向剖視圖示出了根據另一優選實施例的具有表面結構的物體的一部分。
具體實施例方式圖I示出了物體10沿物體10的表面12的側向剖視圖，流體30流過物體10的表面12。表面12具有并排布置的四個凹部16. I至16. 4，凹部16. I至16. 4具有圓弧段狀橫截面并且優選具有二氧化鈦表面或者其他主要呈惰性的表面和/或減摩表面，其中凹部16. 4僅部分地示出。在該例子中，四個凹部16. I至16.4以限定凹部橫截面的圓的直徑D的I. 25倍相互隔開。在凹部16. I與凹部16. 2之間設置有凹部16. 2的導入部18. 2，在凹部16. 2與凹部16. 3之間設置有凹部16. 3的導入部18. 3，并且在凹部16. 3與凹部16. 4之間設置有導入部18. 4。具有該特征的凹部的結構朝主流動方向周期地持續。在每個例子中，附圖的描述涉及整個結構的一部分。特別地在僅部分示出的凹部16. 4中，即使沒有明確地提到，所描述的特性可類似地應用。在該例子中，圖I的剖視面沿著物體10的表面12之上的流體30的主流動方向14延伸。凹部16. I至16. 4因此沿主流動方向14均勻地隔開，并且大致橫向于主流動方向14延伸出圖I的繪圖面或延伸入圖I的繪圖面。凹部16. I至16. 4彼此間的距離A，即相鄰凹部16. I至16. 4的中心位點之間的距離，在該優選實施例中是每個凹部16. I至16. 4的直徑D的I. 25倍。在圖I所示的優選實施例中，相鄰凹部16. I至16. 4之間設置的導入部18. 2至18. 4朝著相關聯的凹部16. 2至16. 4彎曲。在每種情況下這里曲率被設計為使得其具有的曲率半徑R是凹部16. 2至16. 4的直徑D的I. 25倍，或者在圖2所示實施例的情
況下是凹部16. 2至16. 4的直徑D的I. 5倍。凹部16. 2、16. 3各自均具有開口，開口在每種情況下在主流動方向14上由第一邊緣20. 2,20. 3和第二邊緣22. 2,22. 3限制。邊緣20. 2,20. 3,22. 2,22. 3因而也限定了角度范圍W，角度范圍W可以被稱作開口角度，在凹部16.2的實例中示出了角度范圍W，凹部的相關開口橫跨角度范圍W。在圖I所示優選實施例中，第一邊緣20. 2,20. 3超過每個凹部16. 2、16. 3最低位點的高度H是相對應凹部的直徑D的0. 75倍。第二邊緣22. 2,22. 3均相對第一邊緣20. 2、20. 3在高度上偏置，也就是說指向遠離物體10。相對于在主流動方向14上每個凹部的中心位點M的位置，第二邊緣被偏置了深度T，深度T是相對應凹部的直徑D的0. 25倍。流過表面12的流體30在其直接相鄰于表面12的區域中到達導入部18. 2、18. 3，流體30的主流動方向由表面12的球狀路徑限定。導入部18. 2、18. 3將流體30的部分流24導入凹部16. 2、16. 3，其中由凹部16. 2、16. 3的橫截面的圓形形狀而引起流體渦流26. I至26. 3。第二邊緣22. I至22. 3因此將導入凹部的流體流24與持續流體流28分開，流體流28經由凹部16. I至16. 3的第二邊緣22. I至22. 3導離。持續流體流28及其之上的所有流層由凹部16. I至16. 3中的流體渦流26. I至26. 3以非常低的流動阻力引導經過物體10的表面12。凹部16. I至16. 3中的流體渦流26. I至26. 3被流動的流體30不斷地驅動，只要流體30流過物體10的表面12，流體渦流就持續存在。由于渦流26. I至26. 3的高旋轉速度，持續流體流28與流體渦流26. I至26. 3之間的速度僅存在極小的差別。由于速度上的極小差別，在流體渦流的區域中幾乎沒有任何流動阻力。此外，流體渦流創建“氣墊”，持續流體流28被引導通過該“氣墊”，并且由于該“氣墊”，流體流28不直接接觸或幾乎不直接接觸物體10本身的表面12。圖2示出了另一實施例，其中第二邊緣22. I至22. 3具有翼片23. I至23. 3，該翼片逆著流動方向延伸并朝著凹部成角度。該第二優選實施例類似于圖I所示的實施例。
權利要求
1.一種具有流體(30)能夠流過的至少一個表面(12)的物體(10)，所述表面具有限定流過所述表面(12)的主流動方向(14)的球狀路徑， 其中所述表面(12)至少局部地具有用于減少所述物體(10)的流動阻力的結構，所述結構具有用于引起流體渦流(26. I至26. 3)的至少一個凹部(16. I至16. 3)，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面， 所述物體的特征在于， 所述結構具有用于將流體流(24)引導入所述凹部(16. I至16.3)的至少一個導入部(18. I至18. 3)，所述導入部朝著所述凹部(16. I至16. 3)與所述主流動方向成角度，并且在主流動方向上布置在所述凹部(16. I至16. 3)的上游， 其中借助所述結構，能夠在所述凹部(16. I至16. 3)內引起流體渦流(26. I至26. 3)并且能夠使流體渦流大致集中在所述凹部(16. I至16. 3)內。
2.根據權利要求I所述的物體(10)，其中大致橫向于所述主流動方向(14)延伸的所述凹部(16. I至16. 3)特別地是槽狀。
3.根據權利要求I或2所述的物體(10)，其中所述結構具有多個凹部(16.I至16. 3)，其中多數凹部(16. I至16. 3)特別地在主流動方向(14)上一個接一個地布置。
4.根據權利要求3所述的物體，其中根據所述流體的密度、粘度和溫度，相鄰的凹部(16. 1、16.2 ;16.2、16.3)優選地以所述圓弧段狀橫截面的直徑(D)的I倍至6倍彼此隔開。
5.根據前述權利要求任一項所述的物體(10)，其中所述導入部(18.I至18. 3)直線地和/或彎曲地配置，其中根據所述流體的密度、粘度和溫度，曲率半徑(R)特別地為所述圓弧段狀橫截面的直徑(D)的2倍至6倍。
6.根據前述權利要求任一項所述的物體(10)，其中所述導入部(18.I至18. 3)以這樣的方式配置在所述導入部的第一位點處所述主流動方向(14)與平行于所述主流動方向的切線之間的傾斜大于在第二位點處的所述傾斜，所述第二位點相對所述第一位點位于所述主流動方向的上游。
7.根據前述權利要求任一項所述的物體(10)，其中所述凹部(16.2、16. 3)具有第一邊緣(20. 2,20. 3)和第二邊緣(22. 2,22. 3)，所述第一邊緣在所述導入部(18. 2,18. 3)與所述凹部(16. 2,16.3)之間且位于所述主流動方向(14)的上游，所述第二邊緣在所述凹部(16. 2,16. 3)與下游的一部分所述表面之間且位于所述主流動方向的下游，其中所述第一邊緣(20. 2,20. 3)相對所述第二邊緣(22. 2,22. 3)大致朝著所述物體(10)的內部偏置，以便在所述凹部(16. 2,16. 3)內引起所述流體渦流(26. 2,26. 3)。
8.根據權利要求7所述的物體(10)，其中所述凹部(16.2、16. 3)的最上游的位點相對所述第一邊緣(20. 2,20. 3)朝著所述物體(10)的內部偏置，以便使所述流體渦流(26. 2、26.3)大致集中在所述凹部(16. 2、16. 3)內。
9.根據權利要求7或8所述的物體(10)，其中所述第二邊緣(22.2,22. 3)在主流動方向上相對所述凹部(16. 2、16. 3)的中心點(M)以所述圓弧段狀橫截面的半徑的0. I倍至0.6倍偏置，優選為0.3倍。
10.根據權利要求3和7至9中的任一項所述的物體(10)，其中所述第二邊緣(22.2、.22.3)具有突起(23. 2,23. 3)，所述突起逆著所述主流動方向并且朝著所述凹部成角度，用于引導所述流體渦流進入下個凹部。
11.根據前述權利要求任一項所述的物體(10)，其中根據所述流體的密度、粘度和溫度，所述凹部(16. 2、16. 3)的橫截面的圓弧段在181°至315°之間，優選為260°至290°之間， 使得所述凹部(16. 2、16. 3)在其橫截面的179°至45°之間、優選為100°至75°之間的角度范圍內敞開。
12.一種流動通道，特別是超音速流動通道，其具有根據權利要求I至11中任一項所述的物體(10)。
13.一種噴氣式引擎，其具有根據權利要求I至11中任一項所述的物體(10)。
14.一種提升裝置，其具有根據權利要求I至11中任一項所述的物體(10)。
15.一種具有用于減少物體的流動阻力的結構的膜，流體沿主流動方向(14)流過所述物體或繞流所述物體，所述膜能夠應用于所述物體的表面， 其中所述結構具有用于引起流體渦流(26. I至26. 3)的至少一個凹部(16. I至16. 3)，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面， 所述膜的特征在于， 所述結構具有用于將流體流(24)引導入所述凹部(16. I至16. 3)的至少一個導入部(18. I至18. 3)，所述導入部朝著所述凹部(16. I至16. 3)與所述主流動方向(14)成角度，并且在所述主流動方向(14)上布置在所述凹部(16. I至16. 3)的上游， 其中借助所述結構，能夠在所述凹部(16. I至16. 3)內引起流體渦流(26. I至26. 3)并且能夠使流體渦流大致集中在所述凹部(16. I至16. 3)內。
16.表面結構的使用，流體能夠在主流動方向上流過所述表面結構，所述表面結構具有用于引起流體渦流(26. I至26. 3)的至少一個凹部(16. I至16. 3)，所述凹部設置為大致圓弧段狀橫截面，所述凹部具有用于將流體流引導入所述凹部(16. I至16. 3)的導入部(18. I至18. 3)，所述導入部與所述主流動方向成角度并且在所述主流動方向上布置在所述凹部的上游，從而減少設置有所述表面結構的物體的流動阻力。
全文摘要
本發明涉及一種具有流體(30)能夠流過的至少一個表面(12)的物體(10)，所述表面具有限定流過所述表面(12)的主流動方向(14)的球狀路徑。所述表面(12)至少局部地具有用于減少所述物體(10)的流動阻力的結構，所述結構具有用于引起流體渦流(26.2、26.3)的至少一個凹部(16.2、16.3)，凹部設置為大致圓弧段狀橫截面。所述物體的特征在于，所述結構具有用于將流體流(24)引導入所述凹部(16.2、16.3)的至少一個導入部(18.2、18.3)，導入部朝著凹部(16.2、16.3)的方向與主流動方向成角度，并且在主流動方向上布置在凹部(16.2、16.3)的上游。借助所述結構，能夠在凹部(16.2、16.3)內引起流體渦流(26.2、26.3)并且能夠使流體渦流大致集中在凹部(16.2、16.3)內。
文檔編號B64C21/10GK102762452SQ201180007716
公開日2012年10月31日 申請日期2011年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者馬爾科·福西 申請人:馬爾科·福西