升力流瀑

冯维亚 张鹏

摘 要：该文所说的流瀑是指一个人为制造的片状流体，可以是气体流瀑，也可以是水体流瀑。当流瀑作用在一个平滑的片状物体上表面时（指与板状物平行表面作用），它会产生一个物理效应，对板状物有一个向上的吸引作用，其力的方向与流瀑垂直。如果将流瀑作用用于固定翼飞机机翼的上表面时，在上下压差的作用下，就会对机翼产生一个向上的升力，使固定翼飞机可以垂直升降。在飞机具备固定翼飞机和直升飞机双重功能的情况下，无论是民用还是军用都具有重大意义。

关键词：流体 压力 流速 压强 板状物体 吸力

中图分类号：O31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0015-02

流瀑可以定义为人为制造的片（扁）状流体，而且是不可压缩的流体。当流瀑在表面平滑的物体表面流过时，它会产生一个效应，使物体表面的压力减小了，其压力方向与流瀑成垂直状态。换句话来说，就是流瀑对物体产生吸力。这是符合伯努利定律的，流速愈大，压力愈小，流速愈小，压力愈大，无流速时则为静压。流瀑也可以理解成为一个片状的管流，是在同一介质中运动的管流，其截面积是一个扁矩形。

对于板（片）状物体来说，在其上面顺板制造人工流瀑（在同一介质中），当流速足够大的时候，产生的吸力大于板状物体重量的时候，板状物体就会被压向流瀑的一侧，这是因为流瀑的流动使得同侧压强减小了。如图1。

在图示中可以看出，流瀑（相当于流管）在流动时会在其边界上减小压力，上边界是空气，下边界是板状物体。在大气压的条件下，上、下边界会同时向流瀑施加压力，或者是流瀑向两边产生了吸力。上边界的空气向下施压时，因为同质，边界空气分子会被流瀑携带改变方向，与流瀑同向运动，形成同质的边界层，以保证流瀑在一定范围内的厚度。下边界是板状物体，将空气和流瀑隔开，因此，在压差的作用下，板状物体将向上运行。

如果是将流瀑喷发器置于板状物体上，或者是流瀑可以与板状物体同步位移时，板状物体在大气压的作用下会向上移动。在流瀑不断侵蚀上边界空气的条件下，板状物体不断上升，直至目标位置。在同一介质中，流瀑不受方向限制，但它的流向必须与板状物体表面保持一致，其吸力与流瀑是垂直关系。流瀑效应可以适用于空气中，也可以适用于水体中。该文一般是指空气中，其中流瀑是指气流瀑。

实验：由于实验条件的限制，只能进行小的定性实验，确定流瀑产生吸力的现象，只要现象存在，就能证明流瀑可以产生升力。

制造流瀑没有专用设备工具，所以需要自行制作。选择吹风机一个，吹风机有3个档位，可以产生3个不同的风速气流。再选择一个易拉罐空罐，将易拉罐两端剪掉，形成一个空筒，然后将空筒的一端制作成截面积为0.5×10.0 cm的矩形罐口（风出口），使其成为一端扁一端圆形的异形筒。然后再将筒的圆形一端套与吹风机的风头上，其接口用胶带纸粘牢，形成简单的流瀑发生器。当吹风机送风时，就可产生扁状的气流体——流瀑。

实验用两种材料进行，一种是硬纸片（刊物封面），一种是硬纸板，两种材料的重量不同，一种为柔性，一种为刚性。两种材料均制成10 cm宽的条带，然后一端用胶带纸柔性固定在流瀑发生器的下沿内壁上，粘牢后条带可以自然下垂。实验时，首先要使流瀑发生器出风口处于水平状态，与地面平行，流瀑在上，条带在下，然后把条带未固定的一端抬至流瀑平行的位置，使之与流瀑能够接合。每种材料按3档流速分别做吹风试验，每个风挡可以抬起（吸起）三个不同长度的条带，流速愈大，抬起的长度愈大。实验结果如表1。

从实验中可以看出流瀑确实产生了吸力，使条带克服重力呈水平状与流瀑平面保持一致，说明了流瀑的侧面压力小，在大气压力的作用下，使条带贴附于流瀑的下面。同时也证明了前文的图示状态，在板状物一侧制造人工流瀑时，板状物会被压向流瀑一侧。

实验中按档位分别对不同长度的条带做了流瀑实验，流速愈大抬起的条带愈长，这说明了流瀑的流速是在逐步变化减小的，出口最大，末端变小。流速愈大，吸力愈大，影响的范围愈大。条带的末端是一个平衡点，是吸力与条带重力的平衡点，它确定了板状物的平衡范围。在实际生活中，流瀑产生压差的事例是比较多的，如飞机机翼上下面的压差，大风可以掀翻屋顶的压差，吹纸条向内压缩的压差等等。很多方面都证明着流瀑现象的存在， 表现的形式不同罢了。固定翼飞机在起飞和飞行过程中机翼与空气产生了相对的运动，形成了与气体（空气）的相对流动，从而产生了机翼上、下翼面的两个流瀑，上翼面流瀑的流速大、压力小，下翼面流瀑的流速小、压力大。因此上下翼面而生成压差使飞机产生升力。

固定翼飞机的机翼就是一个板状物，是一个非标准的板状物。当流瀑在板状物体表面流过时，它是一个主动的流体，可定义为主动流瀑，其他为被动流瀑。主动流瀑与机翼作用时的功能与飞机飞行时的功能有相近之处，只不过主动流瀑仅在机翼的上表面进行气流运动（作用），使得机翼上表面是动压，下表面是静压。动压随着上表面流瀑的流速增大而减小，静压是物体所在海拔高度的大气压，因而可以产生机翼上下表面的压力差，使机翼产生了向上的升力。当升力大于飞机的重量时，飞机上升；升力小于飞机重量时，飞机下降。在相同的气流流速条件下，流瀑对机翼会产生更大的升力，因为没有了流差，没有了机翼下表面的流差，就意味着增加了一部分升力。根据初步估算，当流瀑的流速为100 km/h，可以产生400 kg/m2的升力；200 km/h，可以产生1500 kg/m2的升力。

结语

（1）流瀑流过物体表面时，符合伯努利原理，流速大，压力小，流速小，压力大。（2）流瀑流过板状物体（设与流瀑同宽）表面时，板状物体会被压向流瀑方向，或者说是被吸向流瀑方向。（3）在同一介质中，流瀑沿物体表面流过时，会产生吸力，流速愈大，吸力愈大。（4）流瀑流动时，在边界层上有能量损耗，所以流瀑的流速是逐步衰减的，由近及远，其吸力也是由大到小。（5）流瀑作用在板状物上的功能与机翼飞行状态的功能相近，一个是单面气流通过，一个是双面气流通过。在上表面气流流速相同的情况下，板状物的升力将大于机翼飞行的升力。（6）流瀑概念的提出是基于垂直升力原理提出的，如果在飞机的机翼上翼面设置流瀑喷发器系统，当气流瀑的流速达到高速喷射气流时，在大气压的作用下，可以将固定翼飞机垂直升起来，或再降下来，使固定翼飞机可以垂直起降。对于具有固定翼飞机和直升机双重功能的飞行器来说，它具有更加广泛的用途，无论是民用还是军用都会产生巨大的影响。或许这是一种变革，使得飞行器更广泛的使用，方便快捷。

参考文献

[1] 陈东升.液化天然气管两相流动与传热特性研究[D].上海交通大学，2014.

[2] 车翠翠.翼片导管内纵向涡流机智及强化传热特性研究[D].济南：山东大学，2015.