流體懸浮的運(yùn)用之水懸浮車

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上流體懸浮的運(yùn)用之水懸浮車梅羨仙流體懸浮，是指通過改變流體流向，以改變物體表面壓力，進(jìn)而改變物體在流體中狀態(tài)的現(xiàn)象。主要指物體不完全依靠浮力而位于水面。以下流體主要指水。本文將結(jié)合改進(jìn)海洋航行方式的探討，為大家逐步揭開流體懸浮運(yùn)用的面紗。這種改進(jìn)方式結(jié)合了履帶式車輛及渦輪船只的特點，利用兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)動，帶動渦輪葉片轉(zhuǎn)動，促使水流相向或反向運(yùn)動，達(dá)到改變流向的目的，從而使物體懸浮于流體表面，進(jìn)而獲得水上高速度。傳動方式可定義為多軸動軸連軸轉(zhuǎn)動方式，即軸轉(zhuǎn)動，葉片相對軸不動，軸為履帶式傳動軸。傳動部分如下圖動力傳動部分正視投影簡單圖兩側(cè)弧形為葉片，兩側(cè)長方形為履帶式傳動軸，中

2、央以上為車體。履帶式傳動軸及葉片側(cè)視簡單圖葉片結(jié)構(gòu)為多軸多葉片，單軸單葉片，軸與葉片間為剛性連接。履帶式傳動軸內(nèi)、外側(cè)導(dǎo)環(huán)投影圖導(dǎo)環(huán)的功能為保證履帶連接軸始終在導(dǎo)環(huán)內(nèi)運(yùn)動，上下間通過彈性鋼纜連接，鋼纜面積要小，主要作用為承接履帶及葉片所受垂直于履帶面的水壓力。內(nèi)側(cè)導(dǎo)環(huán)簡單圖內(nèi)側(cè)導(dǎo)環(huán)與車體剛性連接，作用為固定履帶連接軸，并使之能在環(huán)內(nèi)自由滑動。同時承受葉片所受垂直葉面向外的壓力。民用車輛不必考慮陸上越野問題，因此導(dǎo)環(huán)可做成剛性。履帶式連接軸簡單圖C單軸單葉片簡圖葉片三視圖 正視 側(cè)視俯視加裝葉片后履帶部分正視圖車體底部簡單圖車體底部擋水板的作用是相對縮短葉片間的空間，從而將部分重力勢能轉(zhuǎn)換為動能

3、。一、可行性分析1單個葉片受力分析設(shè)葉片運(yùn)動速度為v，表面積為s，在t時間內(nèi)，作用于葉片的流體質(zhì)量為m，摩擦系數(shù)為由動量守恒可知，流體微團(tuán)碰撞的瞬間，如果不考慮其它外力，包括流體自身重力的影響，則mivi+mjvj = 0mivi = Fitmjvj = Fjt可見流體微團(tuán)在y軸方向相互之間的作用力始終大小相等，方向相反，具有固體物質(zhì)內(nèi)力的特性；則只要把Fi、Fj看作是物質(zhì)內(nèi)部相互作用的力，便可將mi、mj作為具有固體特性的整體看待，從而將流體問題轉(zhuǎn)換為固體問題。當(dāng)葉片運(yùn)動方向與表面法線方向一致時（=/2），正面葉片運(yùn)動方向yxx軸方向miv = Fitmjv = Fjt（mi +mj）= m

4、m = svt說明：因為相對運(yùn)動的流體作用于葉面時，是作勻減速運(yùn)動，葉片運(yùn)動起點處速度歸0，所以計算體積時，移動距離取半，得（Fi+Fj）= sv由于存在于流體中葉片本身受到外界壓力的作用，即Fp = Ps則作用于葉片的力為F正= Fp + （Fi+ Fj）= Ps + sv y軸方向fi = iPs +miv/tfj = jPs +mjv/t由流體密度均勻，可知mi =mj在葉面表面粗糙度均勻時，F(xiàn)正=（Fi-fi+fj-Fj）= 0反面運(yùn)動起點y葉片運(yùn)動方向xx軸方向同樣，反面相對運(yùn)動的流體也是作勻減速運(yùn)動，運(yùn)動起點處速度歸0，則m = svt得（Fi+Fj）= sv由外界壓強(qiáng)的作用，得F

5、反= Fp - （Fi+ Fj）= Ps - sv由于固體與流體之間在外部壓強(qiáng)為0時，本身不存在作用力（萬有引力除外），則當(dāng)相對流速產(chǎn)生的壓強(qiáng)不小于外界壓強(qiáng)，即vP時，F(xiàn)反= 0y軸方向fi = iPs -miv/tfj = jPs -mjv/t葉面表面粗糙度均勻時，F(xiàn)反=（Fi-fi+fj-Fj）= 0則對平面而言F= 0F= F正- F反= sv （vP）F= Ps+ sv （vP）其實運(yùn)動阻力就是由壓強(qiáng)差引起的。不過這個壓強(qiáng)指的是連續(xù)流體（不是連續(xù)介質(zhì)）產(chǎn)生的總壓強(qiáng)。也就是說不僅包括水壓，還包括大氣壓。當(dāng)葉片運(yùn)動方向與表面呈一定夾角時（0），如下圖葉片運(yùn)動方向vfFFF正面得m = ss

6、invt將葉片運(yùn)動如上圖分解，則F = svsin注：流體在平行斜面的方向有vcos的速度分量，雖然對平面不起作用，但對曲面卻有作用，后面再說明。同樣引入固體解摩擦力的概念，可得摩擦合力f =（Ps + svsin） （/2）f = 0 （=/2）則/2時，F(xiàn)正=（Ps + F）cos fsin=（Ps + svsin）（cos sin）F正=（Ps + F）sin fcos=（Ps + svsin）（sin cos）=/2的情況，上面已經(jīng)分析，以下都不再提及。反面m = ssinvtF = svsinf =（Ps - svsin） （/2）f = 0 （=/2）則/2，vsinP時F反=（P

7、s - F）cosfsin=（Ps - svsin）（cossin）F反=（Ps - F）sinfcos=（Ps - svsin）（sincos）vsinP時F反= 0，F(xiàn)反= 0則對平面而言（/2）vsinP時F= F正- F反=svsincos- 2Pssin F= F正- F反=svsin+ 2Pscos vsinP時F= F正- F反=（Ps + svsin）（cos sin） F= F正- F反=（Ps + svsin）（sin cos）如果正反面存在夾角，如圖21葉片運(yùn)動方向則vsin2P時F=（Ps1 + s1vsin1）（cos1 sin1）- （Ps2 - s2vsin2）（

8、cos2sin2） F=（Ps1 + s1vsin1）（sin1 cos1）- （Ps2 - s2vsin2）（sin2cos2） vsin2P時F=（Ps1 + s1vsin1）（cos1 sin1） F=（Ps1 + s1vsin1）（sin1 cos1）以上為正反面所受合力解。如果底部為實面，則在底部還有個外部壓力，與F相加減便是升力。本人不是對貝努利原理的否定，而是希望大家能換個角度看待貝努利現(xiàn)象。當(dāng)葉片為二維曲面時，將曲面的弧線段分成n小段，由微積分可知，任意弧小段都可看作直線段，即曲線可看作如下圖v由圖可知，固化流體除有垂直于段面的作用力外，還有由于曲面形狀產(chǎn)生的向心或離心運(yùn)動力，

9、設(shè)曲線曲率為K，由，得則方向由曲面的凹凸性判定葉片運(yùn)動方向F離心F向心F向心F離心當(dāng)曲面為凹曲面時，流體及葉片所受F心方向如上圖，葉片運(yùn)動方向F向心F離心F向心F離心當(dāng)曲面為凸曲面時，流體及葉片所受F心方向如上圖，為便于分析，仍對正反面分別討論，并把外部壓強(qiáng)折算為與密度和速度的關(guān)系，即P=1（vsin1K1vsin1cos1）P=2（vsin2K2vsin2cos2）另設(shè)將受力方程變形，可得正面0時，F(xiàn)正= s1v（1+1）（sin1K1sin1cos1）（1tan1）F正= sv（1+1）（sin1K1sin1cos1）（1ctg1）0時，F(xiàn)正= 0F正= 0反面0時F反= s2v（2-1）

10、（sin2K2sin2cos2）（1tan2）F反= sv（2-1）（sin2K2sin2cos2）（1ctg2） 0時F反= 0F反= 0對于上述變形后的方程，可以理解為s1、s2、s分別以一定速度沿表面法線方向或反方向運(yùn)動所受的阻力，則F正= svF正= svF反= svF反= sv0時，= （1+1）（sin1K1sin1cos1）（1 - tan1）=（1+1）（sin1K1sin1cos1）（1ctg1）0時，= 0= 00時= （2-1）（sin2K2sin2cos2）（1 + tan2）=（2-1）（sin2K2sin2cos2）（1ctg2）0時= 0= 0當(dāng)0/2時，號取上（

11、向離心力符號除外）；當(dāng)/2時，號取下（向離心力符號除外）。由對變形后方程的理解，可得v正= v，v正= v反=，v反= 則曲線邊可以進(jìn)一步變形為由于作用力是由流體相對運(yùn)動產(chǎn)生的，對于整個曲面而言，作用于表面的流體割層本身就存在相對運(yùn)動，為此，必須首先消除各割層間的相對運(yùn)動，使之能夠看作整體。為此，虛擬個速度V、V，有M V= Miv iM V= Miv i得說明：在這里不論積面積，還是積速度，都有失偏頗，只有對它們的乘積，即線動量積分才能很好地解決問題。則說明：因為系數(shù)、已經(jīng)把外部壓強(qiáng)折算進(jìn)去，所以這里沒有取系數(shù)。對于F符號的確定，須分別依據(jù)1、2所在區(qū)間判定，對于F還要加個修正值，因為在曲面

12、= 0的部分，不產(chǎn)生壓差力，但是卻產(chǎn)生摩擦力，則設(shè)二維曲面正面曲線邊方程為u（x）=y，端點處的曲線斜率角度分別為正、正，反面曲線邊方程v（x）=y，端點處的曲線斜率角度分別為反、反，方程都單調(diào)且可導(dǎo)， 、分別為曲面正反面在y、x軸方向上的投影面積，、分別為曲面正反面= 0部分在y軸方向的投影面積，如圖反y反z正正xx0時，F(xiàn)取正號，=時，F(xiàn)= 0，時，F(xiàn)取負(fù)號。積分區(qū)間為，（u、v表示方程的導(dǎo)數(shù)），轉(zhuǎn)換方程既可得F、F的解，這里寫起來太繁瑣，就不寫了。另外，對曲面來講，是隨變化的變量，在積分時要注意分區(qū)間。當(dāng)葉片為三維曲面時，設(shè)曲面平行于xz面的切曲線的切線與來流的夾角為3、4，如圖43yz

13、x設(shè)P= 3 （vsin3K3vsin3cos3）P= 4 （vsin4K4vsin4cos4）由微積分的定義可知，三維曲面可看作是無數(shù)二維曲面的疊加，如圖同理可得0時，= （3+1）（sin3K3sin3cos3）（1 - tan3）0時，= 00時= （4-1）（sin4K4sin4cos4）（1 + tan4）0時= 0當(dāng)0/2時，號取上（向離心力符號除外）；當(dāng)/2時，號取下（向離心力符號除外）。則，得則設(shè)曲面內(nèi)表面方程為z = u（x，y），得，設(shè)曲面外表面方程為z = v（x，y），得，、為曲面在y、x、z軸方向上的投影面積，、為曲面=0部分的投影面積，代入方程即可得三維曲面受力方程

14、的解。摩擦系數(shù)可以用流體動力黏度代替。由于本人不知道科學(xué)上做圓柱和圓球繞流阻力實驗的外部條件，所以只能假設(shè)是常溫常壓下得出的結(jié)果。本人驗證過，方程的解能近乎完美地與阻力系數(shù)實驗曲線圖吻合。需要說明的是，上面所推導(dǎo)的公式只適合連續(xù)介質(zhì)，對于流線不連續(xù)的空間，則還需乘個系數(shù)C，系數(shù)推導(dǎo)如下，s出s進(jìn) 首先在s出處假設(shè)一個虛擬面，得F進(jìn)= s進(jìn)v進(jìn)F出= s出v出則進(jìn)出口處的流體所受壓力差為F壓差 = F進(jìn)- F出則F進(jìn) = F進(jìn) - F壓差 = s出v出F出 = F出 + F壓差 = s進(jìn)v進(jìn)由s進(jìn)v進(jìn) = s出v出，得C = s進(jìn)/s出個人覺得，判定是否連續(xù)介質(zhì)的充分必要條件為流線連續(xù)，流線不連

15、續(xù)則為密閉空間。閉合流線上各點速度大小相等，壓強(qiáng)相等，方向指向流線反方向。另外，物體在流體運(yùn)動中產(chǎn)生振動的問題其實是由于力的脈沖性決定的，在這里不作論述。以上推導(dǎo)的方法，本人運(yùn)用了大量相對和相似的原理，相對性可能無人懷疑，但相似性卻不一定所有人都認(rèn)同。本人不想過多的探討先賢的理論思想，寫出此公式，主要因為本人無能力做實驗來確定阻力系數(shù)，只能以此為據(jù)，簡析一二。同時，也為愛好科學(xué)卻又受制于外部條件的人，研究問題時提供一個參考。2葉片組受力分析為了簡化問題，所有涉及曲面和角度的地方，都用規(guī)則圖形替代，車體及履帶如下圖海平面sHe側(cè)視正視h曲面葉片運(yùn)動等視如下圖V左V左左V右V右右設(shè)葉片安裝飽和、對

16、稱；左右履帶轉(zhuǎn)速為v；葉片組側(cè)視面積s1，總長為L，高為e；水密度為，車體正面寬為a,車體俯視面積為s2，車重為G，靜止時履帶底部距海平面高為H，則F左= F右= sv由于車體底部空間介質(zhì)不變，由壓強(qiáng)相等原理可知，車體底部與側(cè)面的壓強(qiáng)關(guān)系為Gff靜f動 F/s1 = f/s2得sv/s1 = f/s2s是變量，f為水體在a點所受的壓力，垂直于車體底面，f動為f的反作用力，f靜為車體排開水的重量。由于每個葉片旋轉(zhuǎn)速度相同，即s面上的各點向內(nèi)擠壓的水量相同，則可認(rèn)為s的水流為均勻分布，在負(fù)重輪、主動輪等也為均勻分布的情況下，可認(rèn)為車體底部的水流是均勻分布的，即f作用于車體的重心，則車體不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)

17、。由于車輛靜止時浮出水面，由力學(xué)平衡可知f = G - f靜設(shè)履帶底部距海平面距離為變量A，履帶排開的水量體積為c，履帶密度為，兩條履帶全重為G，履帶沉入水中部分的高度為B，履帶底部距車體底部的距離為h，得f靜=g（A-h）s2 + f履帶排說明：之所以設(shè)為排開水的重量，而不直接用浮力，是因為當(dāng)A小于h時，車輛排開水的重量為負(fù)值，此種狀況其實相當(dāng)于車輛增加了排開水的這部分重量。由s=s變 -s輪，得（s變-s輪）v/s1 =（G - g（A-h）s2 + f履帶排）/s2說明：f = G - f靜只適用于車輛靜止時已經(jīng)浮出水面，如果車輛是完全浸沒在水中某個位置，那么要想使之浮出、或者脫離水面，

18、則必須fG- f靜，這情況一為討論此種設(shè)計原理的潛艇上浮速度，一為討論此種設(shè)計原理的飛機(jī)懸浮高度，在此不討論。將s輪看著與履帶同高的長方形，如下圖海平面s輪BALL。則 s變=LB，s輪=L。BAe時，B= eAe時，B= A 當(dāng)eAH時，（L-L。）ev/s1 =（G - g（A-h）s2- f履帶排）/s2由f履帶排=cg=G/得（L-L。）ev/s1 = G/s2 + hg -（G/s2）- Ag 設(shè)=（L-L。）/s1，= G/s2 + hg -（G/2s2），得v =（- Ag - G/2s2）/e當(dāng)Ae時，由f履帶排=cgG/2得（L-L。）Av/s1 = G/s2 + hg -

19、G/2s2- Ag得v =（- Ag）/A假設(shè)一種車輛，已知L=4米，e =1米，L。=2米，G=牛頓，s2=10平米，h=0.5米，G=20000牛頓，=7800千克/立方米，=1000千克/立方米，=/4，=0.00001，得H = 2米，= 0.5，= 20當(dāng)eAH時，v = 40 - 20A 0v4.5/米/秒當(dāng)Ae時，v = 40/A - 20v4.5/米/秒說明：在取值時，要判定值。另外，當(dāng)Ah時，此公式仍然適用，因為內(nèi)側(cè)空間介質(zhì)始終沒有發(fā)生變化。根據(jù)兩式得v 、A的函數(shù)關(guān)系圖vAeH至于f不作用于車體的重心，車體底面不水平，s左s右等情況書寫起來太復(fù)雜，在此不討論，不過結(jié)果可以想

20、象得到，即當(dāng)f不作用于車體的重心時，車體翻轉(zhuǎn)；車體底面不水平時，車體發(fā)生垂直偏移；s左s右，車體發(fā)生水平偏移。由上可知，當(dāng)=45度，v=7.7米/秒時，A=0.5米，此時所需要的動力有多大，后面有說明。以就是說車體已經(jīng)全浮于水上，只有部分履帶沉入水中，可見，就假想車而言，水懸浮完全可行。為了好寫式子，下面的A、v均不代換。二、阻力求解同樣，由于葉片內(nèi)表面與車體底部間介質(zhì)沒有發(fā)生變化，葉片運(yùn)動方向FF可得F/s3 = F/s1F為葉片所受旋轉(zhuǎn)方向上的力，s3為葉片在旋轉(zhuǎn)方向的投影面，為便于分析，將葉片旋轉(zhuǎn)方向的投影面積視著長方形，如下圖x海平面yF1F2F3F4A說明：之所以如上圖，是因為內(nèi)外表

21、面均要投影。設(shè)一側(cè)葉片組共n片，葉片旋轉(zhuǎn)阻力為F轉(zhuǎn)阻，向前的合力為F葉合，葉片所受阻力合力為F阻， F1、F2為內(nèi)表面投影面運(yùn)動產(chǎn)生的阻力，F(xiàn)3、F4為外表面投影面運(yùn)動產(chǎn)生的阻力，發(fā)動機(jī)輸出的功率為P出，則當(dāng)左右轉(zhuǎn)速相同時，F(xiàn)阻 =（F轉(zhuǎn)阻，F(xiàn)側(cè)阻）的矢量和F側(cè)阻 = FF轉(zhuǎn)阻 = F= Fnx/2L 由十字相交法可得F葉合 =（F1 - F4 + F2 - F3）n/2= nx（2y- A）F/2s1 說明：累加葉片所產(chǎn)生的阻力實際上與葉片之間的距離有很大關(guān)系，距離越小，累加葉片所產(chǎn)生的阻力越接近于單個葉片所產(chǎn)生的阻力，只有距離增大到一定程度才等于多個葉片運(yùn)動阻力的累加，而這個臨界距離又與葉

22、片速度和面積有關(guān)，不同的速度和面積，臨界距離不同。不過不論葉片數(shù)量多少，F(xiàn)側(cè)阻/F轉(zhuǎn)阻恒定。當(dāng)eAH時，F(xiàn)側(cè)阻 = s1（- Ag - G/2s2）F轉(zhuǎn)阻 = xyn（- Ag - G/2s2）F葉合 = 0 當(dāng)Ae時，F(xiàn)側(cè)阻 = s1（- Ag）F轉(zhuǎn)阻 = xyn（- Ag）F葉合 = x（2y- A）（- Ag）n/2對于F葉合的理解，簡單點說，就是隨著葉片上升，葉面內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)增大，受力面積不變，外側(cè)壓強(qiáng)同步增大，受力面積卻減小。F葉合xynAeH另外，當(dāng)左右轉(zhuǎn)速不等時，F(xiàn)左F右，得s左s右，可見轉(zhuǎn)向時，車體是傾斜的。三、速度求解設(shè)車輛質(zhì)量為M，車輛某一時刻的速度為v前，車輛前后面均垂直海平

23、面，由于車輛運(yùn)動而使車輛受到的阻力為f阻，車輛運(yùn)動方向的阻力合力為F合，由圖可知h車車輛正視投影海平面AS車正F合 = F葉合 - f車阻 - f摩擦F合 = F葉合 - ah車v前- f摩擦f摩擦 =（Ps + G）由于摩擦力相對很小，忽略不計。則F合 = F葉合- ah車v前 當(dāng)海平面高于車體底面，即hAe時，h車 = A - h F合= F葉合 - a（A- h）v前當(dāng)海平面低于車體底面，即Ah時，h車 = 0F合 = F葉合 則F葉合v = F合v前當(dāng)eAH時，v前 = 0當(dāng)hAe，即 v 時，得x（2y- A）（- Ag）vn/2 =x（2y- A）（- Ag）n/2- a（A -

24、h）v前v前當(dāng)Ah，即v 時，得v前 = v四、功率求解當(dāng)eAH時，P出 = F轉(zhuǎn)阻v= xynv（- Ag - G/2s2） 當(dāng)Ae時，P出 = F轉(zhuǎn)阻v= xynv（- Ag）設(shè)一條履帶共裝n=20片葉片，因為飽和安裝，可得xctg= 2（L + e）/n，2y = ex = 0.5米，y = 0.5米由上可知當(dāng)v = 7.7米/秒時，A = 0.5米，可得P出 = 200.50.51000（20- 0.510）7.7= 790馬力v前 = 7.7米/秒F阻（max）=（，80000牛頓）矢量和F單（max）= 80000/20=4000牛頓，F(xiàn)單（max）= /（220）=2500牛頓。這樣的性價比顯然不是很好，在只改變=/6時，得x = 0.3米，y = 0.5米P出 = 200.30.51000（20- 0.510）11= 673馬力v前 = 11米/秒也不是很理想，為此，局部改進(jìn)為L=4米，e =