流體附壁效應在汽車上的應用研究

梁旭升

(西安汽車科技職業學院，陜西 西安 710038)

一、附壁效應簡介

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，當流體和它流過的物體表面之間存在表面摩擦現象時，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，依據流體力學中的伯努利原理流體流速的減緩會導致流體被吸附在物體凸出表面上流動的這種現象稱為附壁效應。1910年羅馬尼亞發明家亨利.康達發明的一架飛機曾在試飛過程中曾因這種效應作用隨之墜毀，之后他便投入到附壁效應的科學實驗及研究之中，因此附壁效應被稱為康達效應或柯恩達效應。例如圖1所示當我們打開水龍頭，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象，這就是附壁效應作用的產生結果。

圖1

附壁效應屬于流體力學中的一個分支內容，我們國家對流體力學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中逐步發展積累起來的，古代有大禹治水疏通江河的美麗傳說，秦朝李冰父子帶領勞動人們修筑的都江堰，他們的智慧結晶和勞動成果至今還在發揮著巨大作用。而現今人們使用的各式管道在排水、排氣方面都與流體力學中的附壁效應有著眾多聯系。

二、附壁效應與汽車

汽車作為現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。通常我們把汽車發動機稱為“熱機”或內燃機，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換成機械能的機器，汽車內燃機機技術從誕生到今天也就100多年時間，并且經過不斷的改進、發展，熱效率(熱能轉換率)已大幅提升，但就我們今天的科技水平而言汽油發動機的熱效率也僅能達到30%，柴油發動機的熱效率大概在40%左右，那么在發動機排量不變的情況下要增加發動機的輸出功率，有哪些技術措施呢？其實影響發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方面的相關知識來增加發動機充氣量，進而增加發動機輸出功率。眾所周知發動機在工作時，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動機氣缸內的熱能越多轉換成的機械能也就越多那么發動機的輸出功率就會越大，動力性也就越好。理論上四行程發動機的進氣門應當處于進氣行程上止點時打開，當活塞運動到進氣行程下止點時關閉，進氣過程和排氣過程各占180°的曲軸轉角，但實際發動機的曲軸轉速很高，活塞每一行程所占時間都很短。例如上海桑塔納轎車發動機，在最大功率時的轉速為5600r/min一個行程歷時僅為0.0054s，在這樣短的時間內進行進氣和排氣行程，往往會使發動機充氣不足或排氣不徹底，從而使發動機功率下降。因此現代發動機為了很好的解決此問題，使發動機在較短的進、排氣行程內增加進氣量和排氣量，普遍采用四氣門、五氣門發動機替代早期的雙氣門發動機，那么四氣門、五氣門發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、五氣門發動機與雙氣門發動機相比，在保證進氣管道橫截面積不變的前提條件下氣門的數量增加了，氣門數量越多管道的內表面積也就會越大，管道內表面積與發動機進氣效率之間有啥關系呢？舉例說明吧，我現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，經過計算你會發現雖然兩組管子的橫截面積是相等的，但乙組4根5mm粗的細管子內表面積之和要比甲組1根10mm的粗管子內表面積大一倍，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，經實驗測定，乙組的排水速度比甲組快6倍之多。其實出現上述實驗結果的原因就是附壁效應的作用，由于流體附壁效應的影響，管道的內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致了流體在流動時的流速被加快。其實發動機的進、排氣系統就如同這兩組管子一樣要使得發動機在短時間內增加進、排氣量，我們完全可以用增加氣門數的方法來達到增大進、排氣道內表面積的要求，進、排氣道內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，進而利用附壁效應的作用結果來達到增加進氣量的目的。

三、總結

經過以上分析，發動機技術在產生發展的過程中需要不斷地利用理論工具和前言科技完善創新，附壁效應在發動機上的一個應用就很好的解決了內燃機技術當中進氣系統中的一個難題，今后多學科的糅合發展必將把人類利用熱能的歷史不斷刷新發展。