流體附壁效應(yīng)在汽車上的應(yīng)用研究

梁旭升

(西安汽車科技職業(yè)學(xué)院，陜西 西安 710038)

一、附壁效應(yīng)簡介

流體(液體和氣體)有離開原本的流動方向，改為隨著物體凸出表面流動的趨勢，當(dāng)流體和它流過的物體表面之間存在表面摩擦現(xiàn)象時，流體的流速會因此被減慢，只要物體凸出表面的曲率不是很大，依據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理流體流速的減緩會導(dǎo)致流體被吸附在物體凸出表面上流動的這種現(xiàn)象稱為附壁效應(yīng)。1910年羅馬尼亞發(fā)明家亨利.康達發(fā)明的一架飛機曾在試飛過程中曾因這種效應(yīng)作用隨之墜毀，之后他便投入到附壁效應(yīng)的科學(xué)實驗及研究之中，因此附壁效應(yīng)被稱為康達效應(yīng)或柯恩達效應(yīng)。例如圖1所示當(dāng)我們打開水龍頭，放出較小的水流，把一只勺子的背放在水流的附近，水流會被吸引，沿勺子背面的凸出表面流動的現(xiàn)象，這就是附壁效應(yīng)作用的產(chǎn)生結(jié)果。

圖1

附壁效應(yīng)屬于流體力學(xué)中的一個分支內(nèi)容，我們國家對流體力學(xué)的探索實踐是古代先民們長期同自然界作斗爭和在勞動生產(chǎn)中逐步發(fā)展積累起來的，古代有大禹治水疏通江河的美麗傳說，秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動人們修筑的都江堰，他們的智慧結(jié)晶和勞動成果至今還在發(fā)揮著巨大作用。而現(xiàn)今人們使用的各式管道在排水、排氣方面都與流體力學(xué)中的附壁效應(yīng)有著眾多聯(lián)系。

二、附壁效應(yīng)與汽車

汽車作為現(xiàn)代重要的陸地交通工具，與人們的生活已密不可分，而作為汽車核心部件的發(fā)動機，其作用就是為汽車提供源源不斷的動力輸出。通常我們把汽車發(fā)動機稱為“熱機”或內(nèi)燃機，原因就在于，它是一臺用于將燃料燃燒時釋放出來的熱能轉(zhuǎn)換成機械能的機器，汽車內(nèi)燃機機技術(shù)從誕生到今天也就100多年時間，并且經(jīng)過不斷的改進、發(fā)展，熱效率(熱能轉(zhuǎn)換率)已大幅提升，但就我們今天的科技水平而言汽油發(fā)動機的熱效率也僅能達到30%，柴油發(fā)動機的熱效率大概在40%左右，那么在發(fā)動機排量不變的情況下要增加發(fā)動機的輸出功率，有哪些技術(shù)措施呢？其實影響發(fā)動機動力性的因素有很多，本文主要探討如何利用流體力學(xué)方面的相關(guān)知識來增加發(fā)動機充氣量，進而增加發(fā)動機輸出功率。眾所周知發(fā)動機在工作時，新鮮空氣或可燃混合器被吸進氣缸越多，則發(fā)動機的有效輸出功率也越大，新鮮空氣或可燃混合器充滿氣缸的程度可用充氣效率來表示。充氣效率越高，表明進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣或可燃混合氣越多，燃燒所釋放的熱量也就越大，在熱效率一定的前提條件下發(fā)動機氣缸內(nèi)的熱能越多轉(zhuǎn)換成的機械能也就越多那么發(fā)動機的輸出功率就會越大，動力性也就越好。理論上四行程發(fā)動機的進氣門應(yīng)當(dāng)處于進氣行程上止點時打開，當(dāng)活塞運動到進氣行程下止點時關(guān)閉，進氣過程和排氣過程各占180°的曲軸轉(zhuǎn)角，但實際發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速很高，活塞每一行程所占時間都很短。例如上海桑塔納轎車發(fā)動機，在最大功率時的轉(zhuǎn)速為5600r/min一個行程歷時僅為0.0054s，在這樣短的時間內(nèi)進行進氣和排氣行程，往往會使發(fā)動機充氣不足或排氣不徹底，從而使發(fā)動機功率下降。因此現(xiàn)代發(fā)動機為了很好的解決此問題，使發(fā)動機在較短的進、排氣行程內(nèi)增加進氣量和排氣量，普遍采用四氣門、五氣門發(fā)動機替代早期的雙氣門發(fā)動機，那么四氣門、五氣門發(fā)動機為何會在今天的汽車上被廣泛使用呢，原因就在于四氣門、五氣門發(fā)動機與雙氣門發(fā)動機相比，在保證進氣管道橫截面積不變的前提條件下氣門的數(shù)量增加了，氣門數(shù)量越多管道的內(nèi)表面積也就會越大，管道內(nèi)表面積與發(fā)動機進氣效率之間有啥關(guān)系呢？舉例說明吧，我現(xiàn)在拿出兩組等長的管子分為甲組和乙組，甲組為1根10mm粗的管子乙組為4根5mm粗的管子，經(jīng)過計算你會發(fā)現(xiàn)雖然兩組管子的橫截面積是相等的，但乙組4根5mm粗的細管子內(nèi)表面積之和要比甲組1根10mm的粗管子內(nèi)表面積大一倍，如果我們拿上述的兩組管子來做一個實驗，取等體積的兩瓶水(流體都可以)在其它實驗條件相同的情況下，經(jīng)實驗測定，乙組的排水速度比甲組快6倍之多。其實出現(xiàn)上述實驗結(jié)果的原因就是附壁效應(yīng)的作用，由于流體附壁效應(yīng)的影響，管道的內(nèi)表面面積越大則提供給流體的附著面積也就越大，而附著面積越大就導(dǎo)致了流體在流動時的流速被加快。其實發(fā)動機的進、排氣系統(tǒng)就如同這兩組管子一樣要使得發(fā)動機在短時間內(nèi)增加進、排氣量，我們完全可以用增加氣門數(shù)的方法來達到增大進、排氣道內(nèi)表面積的要求，進、排氣道內(nèi)表面積的增加也就為氣體在流動時提供的附著面積增加了，進而利用附壁效應(yīng)的作用結(jié)果來達到增加進氣量的目的。

三、總結(jié)

經(jīng)過以上分析，發(fā)動機技術(shù)在產(chǎn)生發(fā)展的過程中需要不斷地利用理論工具和前言科技完善創(chuàng)新，附壁效應(yīng)在發(fā)動機上的一個應(yīng)用就很好的解決了內(nèi)燃機技術(shù)當(dāng)中進氣系統(tǒng)中的一個難題，今后多學(xué)科的糅合發(fā)展必將把人類利用熱能的歷史不斷刷新發(fā)展。