升力流瀑

馮維亞 張鵬

摘 要：該文所說的流瀑是指一個(gè)人為制造的片狀流體，可以是氣體流瀑，也可以是水體流瀑。當(dāng)流瀑作用在一個(gè)平滑的片狀物體上表面時(shí)（指與板狀物平行表面作用），它會產(chǎn)生一個(gè)物理效應(yīng)，對板狀物有一個(gè)向上的吸引作用，其力的方向與流瀑垂直。如果將流瀑作用用于固定翼飛機(jī)機(jī)翼的上表面時(shí)，在上下壓差的作用下，就會對機(jī)翼產(chǎn)生一個(gè)向上的升力，使固定翼飛機(jī)可以垂直升降。在飛機(jī)具備固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)雙重功能的情況下，無論是民用還是軍用都具有重大意義。

關(guān)鍵詞：流體 壓力 流速 壓強(qiáng) 板狀物體 吸力

中圖分類號：O31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0015-02

流瀑可以定義為人為制造的片（扁）狀流體，而且是不可壓縮的流體。當(dāng)流瀑在表面平滑的物體表面流過時(shí)，它會產(chǎn)生一個(gè)效應(yīng)，使物體表面的壓力減小了，其壓力方向與流瀑成垂直狀態(tài)。換句話來說，就是流瀑對物體產(chǎn)生吸力。這是符合伯努利定律的，流速愈大，壓力愈小，流速愈小，壓力愈大，無流速時(shí)則為靜壓。流瀑也可以理解成為一個(gè)片狀的管流，是在同一介質(zhì)中運(yùn)動的管流，其截面積是一個(gè)扁矩形。

對于板（片）狀物體來說，在其上面順板制造人工流瀑（在同一介質(zhì)中），當(dāng)流速足夠大的時(shí)候，產(chǎn)生的吸力大于板狀物體重量的時(shí)候，板狀物體就會被壓向流瀑的一側(cè)，這是因?yàn)榱髌俚牧鲃邮沟猛瑐?cè)壓強(qiáng)減小了。如圖1。

在圖示中可以看出，流瀑（相當(dāng)于流管）在流動時(shí)會在其邊界上減小壓力，上邊界是空氣，下邊界是板狀物體。在大氣壓的條件下，上、下邊界會同時(shí)向流瀑施加壓力，或者是流瀑向兩邊產(chǎn)生了吸力。上邊界的空氣向下施壓時(shí)，因?yàn)橥|(zhì)，邊界空氣分子會被流瀑攜帶改變方向，與流瀑同向運(yùn)動，形成同質(zhì)的邊界層，以保證流瀑在一定范圍內(nèi)的厚度。下邊界是板狀物體，將空氣和流瀑隔開，因此，在壓差的作用下，板狀物體將向上運(yùn)行。

如果是將流瀑噴發(fā)器置于板狀物體上，或者是流瀑可以與板狀物體同步位移時(shí)，板狀物體在大氣壓的作用下會向上移動。在流瀑不斷侵蝕上邊界空氣的條件下，板狀物體不斷上升，直至目標(biāo)位置。在同一介質(zhì)中，流瀑不受方向限制，但它的流向必須與板狀物體表面保持一致，其吸力與流瀑是垂直關(guān)系。流瀑效應(yīng)可以適用于空氣中，也可以適用于水體中。該文一般是指空氣中，其中流瀑是指氣流瀑。

實(shí)驗(yàn)：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能進(jìn)行小的定性實(shí)驗(yàn)，確定流瀑產(chǎn)生吸力的現(xiàn)象，只要現(xiàn)象存在，就能證明流瀑可以產(chǎn)生升力。

制造流瀑沒有專用設(shè)備工具，所以需要自行制作。選擇吹風(fēng)機(jī)一個(gè)，吹風(fēng)機(jī)有3個(gè)檔位，可以產(chǎn)生3個(gè)不同的風(fēng)速氣流。再選擇一個(gè)易拉罐空罐，將易拉罐兩端剪掉，形成一個(gè)空筒，然后將空筒的一端制作成截面積為0.5×10.0 cm的矩形罐口（風(fēng)出口），使其成為一端扁一端圓形的異形筒。然后再將筒的圓形一端套與吹風(fēng)機(jī)的風(fēng)頭上，其接口用膠帶紙粘牢，形成簡單的流瀑發(fā)生器。當(dāng)吹風(fēng)機(jī)送風(fēng)時(shí)，就可產(chǎn)生扁狀的氣流體——流瀑。

實(shí)驗(yàn)用兩種材料進(jìn)行，一種是硬紙片（刊物封面），一種是硬紙板，兩種材料的重量不同，一種為柔性，一種為剛性。兩種材料均制成10 cm寬的條帶，然后一端用膠帶紙柔性固定在流瀑發(fā)生器的下沿內(nèi)壁上，粘牢后條帶可以自然下垂。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要使流瀑發(fā)生器出風(fēng)口處于水平狀態(tài)，與地面平行，流瀑在上，條帶在下，然后把條帶未固定的一端抬至流瀑平行的位置，使之與流瀑能夠接合。每種材料按3檔流速分別做吹風(fēng)試驗(yàn)，每個(gè)風(fēng)擋可以抬起（吸起）三個(gè)不同長度的條帶，流速愈大，抬起的長度愈大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出流瀑確實(shí)產(chǎn)生了吸力，使條帶克服重力呈水平狀與流瀑平面保持一致，說明了流瀑的側(cè)面壓力小，在大氣壓力的作用下，使條帶貼附于流瀑的下面。同時(shí)也證明了前文的圖示狀態(tài)，在板狀物一側(cè)制造人工流瀑時(shí)，板狀物會被壓向流瀑一側(cè)。

實(shí)驗(yàn)中按檔位分別對不同長度的條帶做了流瀑實(shí)驗(yàn)，流速愈大抬起的條帶愈長，這說明了流瀑的流速是在逐步變化減小的，出口最大，末端變小。流速愈大，吸力愈大，影響的范圍愈大。條帶的末端是一個(gè)平衡點(diǎn)，是吸力與條帶重力的平衡點(diǎn)，它確定了板狀物的平衡范圍。在實(shí)際生活中，流瀑產(chǎn)生壓差的事例是比較多的，如飛機(jī)機(jī)翼上下面的壓差，大風(fēng)可以掀翻屋頂?shù)膲翰?，吹紙條向內(nèi)壓縮的壓差等等。很多方面都證明著流瀑現(xiàn)象的存在， 表現(xiàn)的形式不同罷了。固定翼飛機(jī)在起飛和飛行過程中機(jī)翼與空氣產(chǎn)生了相對的運(yùn)動，形成了與氣體（空氣）的相對流動，從而產(chǎn)生了機(jī)翼上、下翼面的兩個(gè)流瀑，上翼面流瀑的流速大、壓力小，下翼面流瀑的流速小、壓力大。因此上下翼面而生成壓差使飛機(jī)產(chǎn)生升力。

固定翼飛機(jī)的機(jī)翼就是一個(gè)板狀物，是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的板狀物。當(dāng)流瀑在板狀物體表面流過時(shí)，它是一個(gè)主動的流體，可定義為主動流瀑，其他為被動流瀑。主動流瀑與機(jī)翼作用時(shí)的功能與飛機(jī)飛行時(shí)的功能有相近之處，只不過主動流瀑僅在機(jī)翼的上表面進(jìn)行氣流運(yùn)動（作用），使得機(jī)翼上表面是動壓，下表面是靜壓。動壓隨著上表面流瀑的流速增大而減小，靜壓是物體所在海拔高度的大氣壓，因而可以產(chǎn)生機(jī)翼上下表面的壓力差，使機(jī)翼產(chǎn)生了向上的升力。當(dāng)升力大于飛機(jī)的重量時(shí)，飛機(jī)上升；升力小于飛機(jī)重量時(shí)，飛機(jī)下降。在相同的氣流流速條件下，流瀑對機(jī)翼會產(chǎn)生更大的升力，因?yàn)闆]有了流差，沒有了機(jī)翼下表面的流差，就意味著增加了一部分升力。根據(jù)初步估算，當(dāng)流瀑的流速為100 km/h，可以產(chǎn)生400 kg/m2的升力；200 km/h，可以產(chǎn)生1500 kg/m2的升力。

結(jié)語

（1）流瀑流過物體表面時(shí)，符合伯努利原理，流速大，壓力小，流速小，壓力大。（2）流瀑流過板狀物體（設(shè)與流瀑同寬）表面時(shí)，板狀物體會被壓向流瀑方向，或者說是被吸向流瀑方向。（3）在同一介質(zhì)中，流瀑沿物體表面流過時(shí)，會產(chǎn)生吸力，流速愈大，吸力愈大。（4）流瀑流動時(shí)，在邊界層上有能量損耗，所以流瀑的流速是逐步衰減的，由近及遠(yuǎn)，其吸力也是由大到小。（5）流瀑作用在板狀物上的功能與機(jī)翼飛行狀態(tài)的功能相近，一個(gè)是單面氣流通過，一個(gè)是雙面氣流通過。在上表面氣流流速相同的情況下，板狀物的升力將大于機(jī)翼飛行的升力。（6）流瀑概念的提出是基于垂直升力原理提出的，如果在飛機(jī)的機(jī)翼上翼面設(shè)置流瀑噴發(fā)器系統(tǒng)，當(dāng)氣流瀑的流速達(dá)到高速噴射氣流時(shí)，在大氣壓的作用下，可以將固定翼飛機(jī)垂直升起來，或再降下來，使固定翼飛機(jī)可以垂直起降。對于具有固定翼飛機(jī)和直升機(jī)雙重功能的飛行器來說，它具有更加廣泛的用途，無論是民用還是軍用都會產(chǎn)生巨大的影響?；蛟S這是一種變革，使得飛行器更廣泛的使用，方便快捷。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳東升.液化天然氣管兩相流動與傳熱特性研究[D].上海交通大學(xué)，2014.

[2] 車翠翠.翼片導(dǎo)管內(nèi)縱向渦流機(jī)智及強(qiáng)化傳熱特性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.