“梅里迪斯效应”的历史与现实

2020-12-05    作者:数据删除

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  在大部分容易获取的中英文材料中,这个名词都几乎直接和P-51“野马”绑在一起,可以产生“梅里迪斯效应”的散热器像一种不可外传的绝技一样和层流翼等等技术应用一道让“野马”获得了终极速度。但和很多其他技术不一样的是,大多数地方对于这一“效应”都没能给出足够清晰的原理解释,你会搜到不同的来源用或深奥或简陋的不同逻辑解释这个名词,英文维基上连是否需要保留这个词条甚至都可以争论数年至今。本文会试着通过明确“梅里迪斯效应”的起源、原理和历史,从中找到一个较为清晰的答案。

F•W•梅里迪斯的论文封面,使用封面中的英文原标题依然可以在网上容易的找到本文的扫描电子版PDF
F•W•梅里迪斯的论文封面,使用封面中的英文原标题依然可以在网上容易的找到本文的扫描电子版PDF

  讨论这个词的起点当然是F.W.梅里迪斯本人在1935年发布的文章《针对封闭在管道中的乙二醇散热器的航空发动机散热》。在文中,他从热动力学和传热学的角度,估算了一种可以让活塞发动机散热器尺寸和阻力最小的散热器通道整体设计。用最简单的一句话来描述这个散热器的原理,就是让流向换热器的气流首先通过扩张流道,以更高的静压更低的速度通过温差足够高的换热器,吸热升温的气流再通过收缩流道加速喷出产生有效的推力;而用乙二醇作为循环介质,则是因为为了足够高的温差,这个系统需要比水沸点更高的介质来维持和压缩升温后的空气流足够大的温差。

一个符合上述散热器循环过程的散热器基本形式和压力变化图示
一个符合上述散热器循环过程的散热器基本形式和压力变化图示

经典的布雷顿循环p-v图和t-s图,可以结合上图比对
经典的布雷顿循环p-v图和t-s图,可以结合上图比对

  在这篇论文的结论中,梅里迪斯认为在这一流程下,一个设计足够得当的散热器将可以完全利用自身的推力减少整个散热系统额外增加的内外阻力。事实上,如果对这个循环进一步解构的话,就会发现它看起来很像一个正常的布雷顿循环热机:绝热压缩(进气)、等压加热(通过换热器)、绝热膨胀和等压冷却(排气)。不过这个过程的最终目标并不是为了让散热器产生推力,而是提高整个过程中散热系统的效率,产生推力只是结果的一部分。

可以补充的是,在结论中梅里迪斯还提出可以一并利用发动机尾气的废热来产生推力;不过由于显而易见的布置问题,液冷活塞发动机很难有效利用这点
可以补充的是,在结论中梅里迪斯还提出可以一并利用发动机尾气的废热来产生推力;不过由于显而易见的布置问题,液冷活塞发动机很难有效利用这点

  不过,梅里迪斯在论文中验证了这一设计方法的有效性和可能的结果,但是他没有从具体的飞机散热器设计上再讨论如何实现这一方法(论文正文完全为理论计算),什么样的“扩张流道”能以最低的能量损失减慢气流的速度?如何尽量高效的将通过散热器的热气流喷出去制造推力?这样的整个散热器通道应该花费多少体积、布置在飞机的何处?考虑到换热器的效率远远低于真正的燃烧室,而且对进气和排气通道的要求必然会带来一部分额外的结构重量和表面积,未经合适优化的散热器很可能完全不能发挥出理想的效果,细节优化实际上相较总体原理更为重要得多,这些反而是留给了飞机设计师的具体问题。另一方面,尽管由梅里迪斯发文验证了效果,但是这样的散热器优化方法也会很容易由热力学和传热学原理得出,这就导致事实上我们如果要回头去看历史上的飞机设计,不能用单纯的直接用“运用了梅里迪斯效应”这样的方式来定义散热器的设计:直接参考了梅里迪斯提出的方法设计的飞机散热器不一定就能表现出他文中如此乐观估算的效果,而设计过程中完全没有接触过梅里迪斯著作的散热器设计却也可能会在充分优化后产生达到甚至超过他估计效果的性能

  到了这里,我们可以来看看历史上对这一方法的运用情况。乙二醇混合物并封闭增压的液冷循环系统在30年代已经开始在航空发动机上普及,这让冷却液的沸点普遍大幅度提高,首先轻松实现了文章中的目标(或者说,正是更高温的换热器普及才让梅里迪斯获得了实现他文章中散热器设计的前提)。真正的难题是散热器通道的设计。事实上,二战中绝大部分的液冷散热器都已经遵循了进气口面积远小于换热器本身面积的基本逻辑,并用可调排气口控制散热流量和流速的设计,但真正影响整个系统效率的却是具体的散热器通道和外壳的气动设计。

这里仅举美德两例;在二战前后时期,世界各国都通过使用乙二醇混合物以及增压的冷却液循环回路将冷却液的工作温度提高到了100-125℃;事实上,仅仅是更高的温差就成功有效减小了散热器的体积和重量
这里仅举美德两例;在二战前后时期,世界各国都通过使用乙二醇混合物以及增压的冷却液循环回路将冷却液的工作温度提高到了100-125℃;事实上,仅仅是更高的温差就成功有效减小了散热器的体积和重量

  绝大部分当时的液冷散热器通道的进气道和排气道都使用了近似梯形的侧面截面,这种设计会在气流进入进气道的那一刻就在突然变陡的侧壁产生严重的表面气流分离,显著降低了进气效率。在今天我们知道,在这样的应用场景下,我们需要的是一根典型的和速度匹配的形似喇叭的流线型扩散管,但在当时,散热器内流道的设计依然是一个需要探索的领域。

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