流体附壁效应在汽车上的应用研究

2019-05-29梁旭升

山西青年 2019年10期

梁旭升

(西安汽车科技职业学院，陕西西安 710038)

一、附壁效应简介

流体(液体和气体)有离开原本的流动方向，改为随着物体凸出表面流动的趋势，当流体和它流过的物体表面之间存在表面摩擦现象时，流体的流速会因此被减慢，只要物体凸出表面的曲率不是很大，依据流体力学中的伯努利原理流体流速的减缓会导致流体被吸附在物体凸出表面上流动的这种现象称为附壁效应。1910年罗马尼亚发明家亨利.康达发明的一架飞机曾在试飞过程中曾因这种效应作用随之坠毁，之后他便投入到附壁效应的科学实验及研究之中，因此附壁效应被称为康达效应或柯恩达效应。例如图1所示当我们打开水龙头，放出较小的水流，把一只勺子的背放在水流的附近，水流会被吸引，沿勺子背面的凸出表面流动的现象，这就是附壁效应作用的产生结果。

图1

附壁效应属于流体力学中的一个分支内容，我们国家对流体力学的探索实践是古代先民们长期同自然界作斗争和在劳动生产中逐步发展积累起来的，古代有大禹治水疏通江河的美丽传说，秦朝李冰父子带领劳动人们修筑的都江堰，他们的智慧结晶和劳动成果至今还在发挥着巨大作用。而现今人们使用的各式管道在排水、排气方面都与流体力学中的附壁效应有着众多联系。

二、附壁效应与汽车

汽车作为现代重要的陆地交通工具，与人们的生活已密不可分，而作为汽车核心部件的发动机，其作用就是为汽车提供源源不断的动力输出。通常我们把汽车发动机称为“热机”或内燃机，原因就在于，它是一台用于将燃料燃烧时释放出来的热能转换成机械能的机器，汽车内燃机机技术从诞生到今天也就100多年时间，并且经过不断的改进、发展，热效率(热能转换率)已大幅提升，但就我们今天的科技水平而言汽油发动机的热效率也仅能达到30%，柴油发动机的热效率大概在40%左右，那么在发动机排量不变的情况下要增加发动机的输出功率，有哪些技术措施呢？其实影响发动机动力性的因素有很多，本文主要探讨如何利用流体力学方面的相关知识来增加发动机充气量，进而增加发动机输出功率。众所周知发动机在工作时，新鲜空气或可燃混合器被吸进气缸越多，则发动机的有效输出功率也越大，新鲜空气或可燃混合器充满气缸的程度可用充气效率来表示。充气效率越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，燃烧所释放的热量也就越大，在热效率一定的前提条件下发动机气缸内的热能越多转换成的机械能也就越多那么发动机的输出功率就会越大，动力性也就越好。理论上四行程发动机的进气门应当处于进气行程上止点时打开，当活塞运动到进气行程下止点时关闭，进气过程和排气过程各占180°的曲轴转角，但实际发动机的曲轴转速很高，活塞每一行程所占时间都很短。例如上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为5600r/min一个行程历时仅为0.0054s，在这样短的时间内进行进气和排气行程，往往会使发动机充气不足或排气不彻底，从而使发动机功率下降。因此现代发动机为了很好的解决此问题，使发动机在较短的进、排气行程内增加进气量和排气量，普遍采用四气门、五气门发动机替代早期的双气门发动机，那么四气门、五气门发动机为何会在今天的汽车上被广泛使用呢，原因就在于四气门、五气门发动机与双气门发动机相比，在保证进气管道横截面积不变的前提条件下气门的数量增加了，气门数量越多管道的内表面积也就会越大，管道内表面积与发动机进气效率之间有啥关系呢？举例说明吧，我现在拿出两组等长的管子分为甲组和乙组，甲组为1根10mm粗的管子乙组为4根5mm粗的管子，经过计算你会发现虽然两组管子的横截面积是相等的，但乙组4根5mm粗的细管子内表面积之和要比甲组1根10mm的粗管子内表面积大一倍，如果我们拿上述的两组管子来做一个实验，取等体积的两瓶水(流体都可以)在其它实验条件相同的情况下，经实验测定，乙组的排水速度比甲组快6倍之多。其实出现上述实验结果的原因就是附壁效应的作用，由于流体附壁效应的影响，管道的内表面面积越大则提供给流体的附着面积也就越大，而附着面积越大就导致了流体在流动时的流速被加快。其实发动机的进、排气系统就如同这两组管子一样要使得发动机在短时间内增加进、排气量，我们完全可以用增加气门数的方法来达到增大进、排气道内表面积的要求，进、排气道内表面积的增加也就为气体在流动时提供的附着面积增加了，进而利用附壁效应的作用结果来达到增加进气量的目的。