[发明专利]具有涡控制装置的流体动力设备及控制涡流的方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有涡控制装置的流体动力设备和控制涡流的方法。本发明尤其适用于空中、陆地、水中三栖的航空器。

背景技术

涡又称旋涡，是流体中的一种运动形式，理想流体中，旋涡具有以下几个特征：

1、同一时刻旋涡各处强度相等（涡量守衡）；

2、旋涡里的流体永远构成旋涡；

3、旋涡不能内部终止，只能终止于边界。

4、在不可压缩流体中（例如水中），压强与流速遵循伯努力方程。

5、在可压缩气体中（例如空气中），压强与流速依靠能量方程和状态方程求解。

点涡模型中，涡中各点的速度与涡心距成反比，越接近于涡心，速度越大，到达涡心时，速度趋近于无穷大，在离心力的作用下，靠近涡心时趋近于真空。

龙卷风是自然界的一种涡，龙卷风形成时，先形成一个直径较大的涡旋场，然后中心气体上升，周边气体向中心补给，根据涡量守衡原则，旋涡直径缩小，风速加大，当直径缩小至原来十分之一时，风速增大到原来十倍，在风的离心力作用下，龙卷风中心气压快速下降。沿着龙卷风涡心线的气压大幅降低，密度下降，周边空气不断补给，加强龙卷风的强度，龙卷风经过之处，可以将重物搬移，是其在地面形成强大的负压（相对于大气压）。

鸟在空气中获得升力：其过程是通过翅膀的周期运动产生附着于翅膀上侧的涡，使得鸟获得强大的升力。发明人通过研究大型鸟类的飞行状态，发现鸟在起飞和降落时在翅膀上侧诱导了涡，涡的两端终止于翅膀或身体。

烟圈是一种较稳定的涡环结构，环内的流体速度很快，压强很低，只需要很少的能量就能够使这种涡环长时间稳定。由于整个涡环低压强区是封闭的，若将环延轴平面切开成对称两个，其中一个形成半涡环结构，在半涡环的两端形成低压区，切开面的两侧，有涡环的一面比无涡环的一面对切开面的压力要小，本发明的原理其于此项构思。

无边界的涡不能长时稳定存在，实际流体中，装置驱动流体的速度是有限的，通常在涡的外侧驱动流体产生涡，涡心流体不能被排出，导致靠近涡心的流体近似刚体的等角速度旋转，其流速远比等速度环量的方式低，从而导致涡心的压强下降缓慢。

现有技术中应用流体中提供流体动力的装置较多，采用的方法有：密度差异、反推、流速变化，主要分布于水和空气范围内。代表性的装置有：气球、火箭、固定翼飞机、旋转翼飞机、潜艇。

气球：依靠密度差异，获得浮力，其流体动力为向上的升力，体积大、速度慢、机动性差，其优点是浮在空中时不消耗能量。

火箭：反向喷出流体获得前进动力，其能量消耗大。

固定翼飞机：优点有升力大、载重大、机动性好，缺点是不能垂直起飞、低速时性能差，起降场地要求严格。

旋转翼飞机（直升飞机）：优点是可以垂直起降、载重较大、机动性好，缺点的飞行速度低、构造复杂、易陷入到涡环等不安全状态中。其起降时会产生强大的空气流动，存在较大的安全隐患。

潜艇：优点是可用于水中运行，缺点是仅能运行于水中、机动性能差、速度低、密度低于水时下潜困难、密度高于水时上升困难。

从以上分析可知，现有流体动力装置均存在缺陷，尤其是飞行器，均受到跑道、场地安全或速度的限制，以具有边条翼的飞机为例，飞行时在边条翼上产生脱体涡，在机翼上产生负压，使飞机在空气中产升了垂直于机翼的升力。由于脱体涡的强度和大小难以控制，升力不易控制。飞机静止状态下难以产生脱体涡，在静止状态下难以获得升力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，本发明提供一种在空气中能够以低能耗垂直起降、悬停、翻转、任意方向移动的的具有涡控制装置的流体动力设备，本设备可以在水中和空气中运行、停泊在陆地上。本发明还提供提供一种涡的能量消耗很少，涡能长时稳定，从而提供更强的流体动力的控制涡流的方法，该方法能用于诱导涡使其两端稳定附着于特定的附着面上。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

具有涡控制装置的流体动力设备，其特征在于：所述流体动力设备包括至少一个涡附着面、流体通道、涡控制器，所述流体通道设置在涡附着面上，涡控制器用于驱动流体流动，流体流向流体通道产生涡，涡附着于涡附着面上。相对于无流动，涡附着面为负压力，对设备的流体动力为涡附着面压力下降值的合力。

具体的，所述涡附着面为平面或非平面或平面与非平面的组合形成的面。