流体悬浮的运用之水悬浮车.doc
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除流体悬浮的运用之水悬浮车梅羡仙流体悬浮,是指通过改变流体流向,以改变物体表面压力,进而改变物体在流体中状态的现象。主要指物体不完全依靠浮力而位于水面。以下流体主要指水。本文将结合改进海洋航行方式的探讨,为大家逐步揭开流体悬浮运用的面纱。这种改进方式结合了履带式车辆及涡轮船只的特点,利用两侧履带转动,带动涡轮叶片转动,促使水流相向或反向运动,达到改变流向的目的,从而使物体悬浮于流体表面,进而获得水上高速度。传动方式可定义为多轴动轴连轴转动方式,即轴转动,叶片相对轴不动,轴为履带式传动轴。传动部分如下图动力传动部分正视投影简单图两侧弧形为叶片,两侧长
2、方形为履带式传动轴,中央以上为车体。履带式传动轴及叶片侧视简单图叶片结构为多轴多叶片,单轴单叶片,轴与叶片间为刚性连接。履带式传动轴内、外侧导环投影图导环的功能为保证履带连接轴始终在导环内运动,上下间通过弹性钢缆连接,钢缆面积要小,主要作用为承接履带及叶片所受垂直于履带面的水压力。内侧导环简单图内侧导环与车体刚性连接,作用为固定履带连接轴,并使之能在环内自由滑动。同时承受叶片所受垂直叶面向外的压力。民用车辆不必考虑陆上越野问题,因此导环可做成刚性。履带式连接轴简单图单轴单叶片简图叶片三视图 正视 侧视俯视加装叶片后履带部分正视图车体底部简单图车体底部挡水板的作用是相对缩短叶片间的空间,从而将部
3、分重力势能转换为动能。一、可行性分析1单个叶片受力分析设叶片运动速度为v,表面积为s,在t时间内,作用于叶片的流体质量为m,摩擦系数为由动量守恒可知,流体微团碰撞的瞬间,如果不考虑其它外力,包括流体自身重力的影响,则mivi+mjvj = 0mivi = Fitmjvj = Fjt可见流体微团在y轴方向相互之间的作用力始终大小相等,方向相反,具有固体物质内力的特性;则只要把Fi、Fj看作是物质内部相互作用的力,便可将mi、mj作为具有固体特性的整体看待,从而将流体问题转换为固体问题。当叶片运动方向与表面法线方向一致时(=/2),正面叶片运动方向yxx轴方向miv = Fitmjv = Fjt(
4、mi +mj)= mm = svt说明:因为相对运动的流体作用于叶面时,是作匀减速运动,叶片运动起点处速度归0,所以计算体积时,移动距离取半,得(Fi+Fj)= sv由于存在于流体中叶片本身受到外界压力的作用,即Fp = Ps则作用于叶片的力为F正= Fp + (Fi+ Fj)= Ps + sv y轴方向fi = iPs +miv/tfj = jPs +mjv/t由流体密度均匀,可知mi =mj在叶面表面粗糙度均匀时,F正=(Fi-fi+fj-Fj)= 0反面运动起点y叶片运动方向xx轴方向同样,反面相对运动的流体也是作匀减速运动,运动起点处速度归0,则m = svt得(Fi+Fj)= sv由
5、外界压强的作用,得F反= Fp - (Fi+ Fj)= Ps - sv由于固体与流体之间在外部压强为0时,本身不存在作用力(万有引力除外),则当相对流速产生的压强不小于外界压强,即vP时,F反= 0y轴方向fi = iPs -miv/tfj = jPs -mjv/t叶面表面粗糙度均匀时,F反=(Fi-fi+fj-Fj)= 0则对平面而言F= 0F= F正- F反= sv (vP)F= Ps+ sv (vP)其实运动阻力就是由压强差引起的。不过这个压强指的是连续流体(不是连续介质)产生的总压强。也就是说不仅包括水压,还包括大气压。当叶片运动方向与表面呈一定夹角时(0),如下图叶片运动方向vfFF
6、F正面得m = ssinvt将叶片运动如上图分解,则F = svsin注:流体在平行斜面的方向有vcos的速度分量,虽然对平面不起作用,但对曲面却有作用,后面再说明。同样引入固体解摩擦力的概念,可得摩擦合力f =(Ps + svsin) (/2)f = 0 (=/2)则/2时,F正=(Ps + F)cos fsin=(Ps + svsin)(cos sin)F正=(Ps + F)sin fcos=(Ps + svsin)(sin cos)=/2的情况,上面已经分析,以下都不再提及。反面m = ssinvtF = svsinf =(Ps - svsin) (/2)f = 0 (=/2)则/2,v
7、sinP时F反=(Ps - F)cosfsin=(Ps - svsin)(cossin)F反=(Ps - F)sinfcos=(Ps - svsin)(sincos)vsinP时F反= 0,F反= 0则对平面而言(/2)vsinP时F= F正- F反=svsincos- 2Pssin F= F正- F反=svsin+ 2Pscos vsinP时F= F正- F反=(Ps + svsin)(cos sin) F= F正- F反=(Ps + svsin)(sin cos)如果正反面存在夹角,如图21叶片运动方向则vsin2P时F=(Ps1 + s1vsin1)(cos1 sin1)- (Ps2 -
8、 s2vsin2)(cos2sin2) F=(Ps1 + s1vsin1)(sin1 cos1)- (Ps2 - s2vsin2)(sin2cos2) vsin2P时F=(Ps1 + s1vsin1)(cos1 sin1) F=(Ps1 + s1vsin1)(sin1 cos1)以上为正反面所受合力解。如果底部为实面,则在底部还有个外部压力,与F相加减便是升力。本人不是对贝努利原理的否定,而是希望大家能换个角度看待贝努利现象。当叶片为二维曲面时,将曲面的弧线段分成n小段,由微积分可知,任意弧小段都可看作直线段,即曲线可看作如下图v由图可知,固化流体除有垂直于段面的作用力外,还有由于曲面形状产生
9、的向心或离心运动力,设曲线曲率为K,由,得则方向由曲面的凹凸性判定叶片运动方向F离心F向心F向心F离心当曲面为凹曲面时,流体及叶片所受F心方向如上图,叶片运动方向F向心F离心F向心F离心当曲面为凸曲面时,流体及叶片所受F心方向如上图,为便于分析,仍对正反面分别讨论,并把外部压强折算为与密度和速度的关系,即P=1(vsin1K1vsin1cos1)P=2(vsin2K2vsin2cos2)另设将受力方程变形,可得正面0时,F正= s1v(1+1)(sin1K1sin1cos1)(1tan1)F正= sv(1+1)(sin1K1sin1cos1)(1ctg1)0时,F正= 0F正= 0反面0时F反
10、= s2v(2-1)(sin2K2sin2cos2)(1tan2)F反= sv(2-1)(sin2K2sin2cos2)(1ctg2) 0时F反= 0F反= 0对于上述变形后的方程,可以理解为s1、s2、s分别以一定速度沿表面法线方向或反方向运动所受的阻力,则F正= svF正= svF反= svF反= sv0时,= (1+1)(sin1K1sin1cos1)(1 - tan1)=(1+1)(sin1K1sin1cos1)(1ctg1)0时,= 0= 00时= (2-1)(sin2K2sin2cos2)(1 + tan2)=(2-1)(sin2K2sin2cos2)(1ctg2)0时= 0= 0
11、当0/2时,号取上(向离心力符号除外);当/2时,号取下(向离心力符号除外)。由对变形后方程的理解,可得v正= v,v正= v反=,v反= 则曲线边可以进一步变形为由于作用力是由流体相对运动产生的,对于整个曲面而言,作用于表面的流体割层本身就存在相对运动,为此,必须首先消除各割层间的相对运动,使之能够看作整体。为此,虚拟个速度V、V,有M V= Miv iM V= Miv i得说明:在这里不论积面积,还是积速度,都有失偏颇,只有对它们的乘积,即线动量积分才能很好地解决问题。则说明:因为系数、已经把外部压强折算进去,所以这里没有取系数。对于F符号的确定,须分别依据1、2所在区间判定,对于F还要加
12、个修正值,因为在曲面= 0的部分,不产生压差力,但是却产生摩擦力,则设二维曲面正面曲线边方程为u(x)=y,端点处的曲线斜率角度分别为正、正,反面曲线边方程v(x)=y,端点处的曲线斜率角度分别为反、反,方程都单调且可导, 、分别为曲面正反面在y、x轴方向上的投影面积,、分别为曲面正反面= 0部分在y轴方向的投影面积,如图反y反z正正xx0时,F取正号,=时,F= 0,时,F取负号。积分区间为,(u、v表示方程的导数),转换方程既可得F、F的解,这里写起来太繁琐,就不写了。另外,对曲面来讲,是随变化的变量,在积分时要注意分区间。当叶片为三维曲面时,设曲面平行于xz面的切曲线的切线与来流的夹角为
13、3、4,如图43yzx设P= 3 (vsin3K3vsin3cos3)P= 4 (vsin4K4vsin4cos4)由微积分的定义可知,三维曲面可看作是无数二维曲面的叠加,如图同理可得0时,= (3+1)(sin3K3sin3cos3)(1 - tan3)0时,= 00时= (4-1)(sin4K4sin4cos4)(1 + tan4)0时= 0当0/2时,号取上(向离心力符号除外);当/2时,号取下(向离心力符号除外)。则得则设曲面内表面方程为z = u(x,y),得设曲面外表面方程为z = v(x,y),得、为曲面在y、x、z轴方向上的投影面积,、为曲面=0部分的投影面积,代入方程即可得三
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