本发明涉及一种涡流能的利用方法及涡轮机，其属于基础理论、流体动力 学及其应用技术研究领域。
背景技术：
在当前国内外科学技术体系中，关于涡流的概念和涡流基本理论存在一定 缺陷。这种缺陷首先表现在对涡流基本规律认识方面。涡流属于流体的一种变 化现象，其变化的原因在于存在导致涡流形成的控制因素存在。但传统理论不 讨论涡流运行与其控制因素之间的关系规律，仅讨论涡流运行质点的空间变化 规律。因此，传统理论对涡流运动规律缺乏真正的认识。不研究涡流与其控制 因素之间的关系规律，这不仅构成一种理论缺憾，而且限制涡流能利用技术的 完善发展。
技术实现要素：
本发明针对当前国内外现有科学技术不涉及涡流与其控制因素之间关系、 限制涡流能利用技术发展完善的缺陷，提供一种涡流能利用方法及涡轮机。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
(1)正确认识涡流变化与其控制因素之间的基本关系规律
流体的变化受制于作用因素和运行环境性质因素，所述作用因素主要是流 体物质的动量因素，所述运行环境性质因素主要指存在于运行空间中的各种物 质的阻障性质；由此可知，
①根据力学理论，涡流运动规律的关系式为：
It＝I0+(P+R+G+F)t；
②根据波动规律，涡流运动规律的关系式为：
③根据作用学，涡流运动规律的关系式为：
It＝E(I0+Pt)cosα；
式中，I0和It分别表示涡流的始末动量；E表示涡流运行环境的畅通性质， 被称为虚度；α表示涡流方向变化角度，即表示当极小值时I0与It之间 的夹角；P表示驱动力；t表示运行时间；I0表示初动量；P表示驱动力；F表 示浮力；G表示重力；R表示阻障力；Φ表示在时间t内通过某点的流体总动量， 被作用学称之为通量；r表示波前与波源之间的距离；u表示流体波的波速；
(2)涡流能度量的作用学方法
将涡流能定义为涡流的旋流动量，根据步骤(1)中③记载的涡流运动规律 的关系式，可知涡流能量计算公式为
涡流能＝It＝E(I0+Pt)cosα＝I0+(P+R+G+F)t；
(3)涡流能利用的作用学方法
人为将流体的运动能转化为涡流，再将涡流能的部分转化为机械能，并考 虑最有效地利用涡流能量。
进一步，在步骤(3)中，最有效地利用涡流能的方法是增大流体作用面积 和增大流体作用时间。
进一步，所述涡轮机本体，在所述涡轮机本体的上部设有入口管、内部设 有叶轮、底部设有出口管，所述入口管对应叶轮位置固定设置。
进一步，所述每个叶轮的面积为
式中，Si表示每个叶轮的面积；h表示叶轮的垂直高度或长度；α表示叶轮 坡度角；r表示叶轮与断面交线长度；r0表示转轴半径；2πrn+h/sinθ表示叶轮外 缘斜长；θ表示外缘线倾角；n表示叶轮绕轴延伸的圈数；2πr0n+h/sinθ0表示叶 轮与轴的交线长度；θ0表示叶轮与轴的交线的倾角。
进一步，在所述涡轮机本体内设有四个叶轮。
进一步，所述四个叶轮接受的驱动力总量为
式中，ψ表示瞬间流体对涡轮机产生的旋转驱动力，ρ表示流体的物质密度， T为流体运行环境的实度，等于涡轮机接受作用的效率，S′表示补给流断面面积， g表示重力加速度。
进一步，随着时间的延长，流体能转化为机械能的量等于动量I，即
式中，t表示作用时间或流体能利用时间；ρQgt1＝G表示在瞬间对叶轮产生 作用的流体重力；其中，ρQt1＝m是瞬间对叶轮产生作用的流体质量。
进一步，所述四个叶轮接受的驱动力总量的力学表达式为
式中，I0是流体流入涡轮机的初始动量，因为它是瞬间量，所以，被看作驱 动力；P表示后边流体对前边流体的推动力；F表示流体产生的浮力，在涡轮机 内下行流体的浮力等于0，即F＝0；重力G由在涡轮机内的所有流体质量产生； t1为流体从进入涡轮机的入口流入到从从涡轮机的排出口排出的流体运行时间， 也就是流体在涡轮机内滞留的时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：给出了更有效利用流体动力的涡 轮机，为绿色能源的开发利用开拓了更广阔的前景。当使用传统涡轮机发电水 动力不足时可以考虑使用该发明涡轮机。在同样水利条件下，如考虑增大流体 动能的利用率、使发电量增大，也可以考虑使用该发明涡轮机。在利用瀑布动 力发电时，还可以考虑在瀑布水流上方使用该涡轮机发电。
附图说明
图1为下行涡流左旋与其控制因素之间的作用学关系示意图。
图2为下行涡流右旋与其控制因素之间的作用学关系示意图。
图3为上行涡流与其控制因素之间的作用学关系示意图。
图4为涡流与其控制因素之间关系规律示意图。
图5为涡流与其控制因素之间关系规律示意图。
图6为作用学涡轮机外缘曲线示意图。
图7为作用学涡轮机断面示意图。
图8为叶轮倾角说明图。
图9为涡轮机与水流动力之间的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发 明，并非用于限定本发明的范围。
1、正确认识涡流变化与其控制因素之间的基本关系规律
流体是指在空间运行的物质流组合体，如水流、大气流、电磁辐射流等等 都是由运动物质构成的运动物质组合体。流体在运行过程中会形成各种各样的 变化现象。流体的变化受制于两种控制因素：作用因素和运行环境性质因素。 控制流体变化的作用因素主要是流体物质的动量因素；运行环境性质因素主要 指存在于运行空间中的各种物质的阻障性质，传统理论称之为介质。环境的性 质由质空关系特性确定。
涡流是流体变化现象中的一种。涡流的形成也受制于两种因素：驱动动力 和运行环境的性质。运行环境的性质决定着障碍力的大小和可运行程度。根据 作用学，流体运动和涡流运动可以用一个简单的函数来描述：
It＝E(I0+Pt)cosα。
式中，I0和It分别表示涡流的始末动量；E表示涡流运行环境的畅通性质，被称 为虚度；α表示涡流方向变化角度，即表示当极小值时I0与It之间的夹 角；P表示驱动力；t表示运行时间，如图1所示。
宏观涡流如水流中产生的涡流和大气流中产生的涡流，有上行涡流和下行 涡流之分：冷水流一般生成下行涡流，热水流能够生成上行涡流，洋流有时生 成上行涡流。大气涡流一般是上行涡流。涡流还有左旋涡流和右旋涡流两种基 本类型之分，如图1所示。
按照力学理论，控制涡流运行变化的有多种作用力。如图2所示，控制涡 流运行的物理量有初动量I0、驱动力P、浮力F、重力G、阻障力R，这些量共 同控制了流体质点的涡流运动方向和动量大小，即控制It值的大小和方向。因此， 涡流运动规律也可以用以下量关系式来描述：
It＝I0+(P+R+G+F)t。
流体的运行变化还遵守波动规律，因此，涡流运行还可以用流体运行的波 动方程来表述如下：
式中，Φ表示在时间t内通过某点的流体总动量，被作用学称之为通量；r表示 波前与波源之间的距离；u表示流体波的波速。
对于质量极其微小的物质流，如辐射流，它们的运行几乎不受重力控制， 因为它们构成重力子的组成部分，不受重力控制。微观辐射物质入射到物体内、 在物体内可以形成涡流运行形式。
2、涡流能度量的作用学方法
涡流一般由高速运动的流动物质产生，具有较大旋转能量。考虑作用、变 化和能量之间的统一规律，作用学为能量确定了新的定义：能量是指物质能够 在某一方向对它物质产生的最大作用量。根据作用学的能量定义，考虑作用量、 能量、动量的统一，本发明将涡流能定义为涡流的旋流动量，根据上述涡流运 行与其控制因素之间的关系方程，涡流能量计算公式为
涡流能＝It＝E(I0+Pt)cosα＝I0+(P+R+G+F)t。
这样以来，能量、涡流能、动量、作用量、作用力等基本物理学概念就得到了 统一。
3、涡流能利用的作用学方法
自然界中出现的涡流能一般不稳定，所以，目前国内外还没有直接利用天 然涡流能的实例。当前世界上利用的涡流能一般是人为转化的涡流能，即将流 体动能转化为涡流能、同时转化为机械能。目前世界上能够利用的流体能主要 有风能、瀑布能和洋流能等等。其中，瀑布能多为天然的瀑布能，也有人工瀑 布能，如三峡大坝产生的瀑布能。人类这些流体能的利用存在一定缺陷，其缺 陷主要是能量的利用率较低。其流体能转化为机械能的过程主要依赖于涡轮机。 涡轮机的工作原理大家都知道，其转动方向一般垂直于流体运行方向，流体对 涡轮旋转的推动作用依靠流体对叶轮斜面的作用分量来实现的，仅仅能够将流 体能量中的一部分转化为机械能。
根据作用学，当直行流体转化为涡流流体时，流体接受一种由障碍物生成 的致涡作用，即导致涡流生成的作用，同时，流体对障碍物产生一种冲击作用。 涡流能的利用主要是利用流体在生成涡流过程中产生的冲击作用，其中包括流 体对障碍物的冲击作用和涡流形成以后的旋转冲击作用。从根本上来看，涡流 能的利用实际上是对流体初动量、流体接受的重力和推动力的综合利用。
前面提到，目前涡轮机转化利用流体能的效率较低，那么，怎样才能提高 流体能的转化利用效率？
根据作用学，制造一种特殊的流体能利用工具，能够使流体能的利用率提 高无数倍。这种工具就是本发明所说的作用学涡轮机，如图3所示。
本发明涡轮机的叶轮断面与传统涡轮机叶轮断面类似，共设4个叶轮，每 个叶轮的垂直高度或长度增大为h，叶轮坡度角为α(如图4所示)，叶轮与断 面交线长度为r，转轴半径为r0，叶轮外缘斜长为2πrn+h/sinθ，θ表示外缘线倾 角，n表示叶轮绕轴延伸的圈数，转轴的半径为r0，叶轮与轴的交线长度为 2πr0n+h/sinθ0，θ0表示叶轮与轴的交线的倾角，每个叶轮的面积都为
因此，四个叶轮的总面积为S＝2[(2πr0n+h/sinθ0)+(2πrn+h/sinθ)](2πrn+h/sinθ)cosθ。
流体垂直流入涡轮机，如图5所示。从驱动作用力与流体流量之间的关系 式可以直接看出：这种涡轮机对流体能的利用率是很高的。即作用学涡轮机能 够通过增大涡轮机叶轮在瞬间接受作用的面积增大来使流体对涡轮机的瞬间作 用力增大，从而提高流体能的利用效率。
假设流体的供给流量为Q，从供给口到排出口流体流动的时间为t1，那么， 流体对每个叶轮产生的平均驱动力为
4个叶轮接受的驱动力总量为
式中，ψ表示瞬间流体对涡轮机产生的旋转驱动力；ρ表示流体的物质密度；T 为流体运行环境的实度，等于涡轮机接受作用的效率；S′表示补给流断面面积； g表示重力加速度。随着时间的延长，流体能将转化为机械能的量等于动量I， 即
式中，t表示作用时间或流体能利用时间；ρQgt1＝G表示在瞬间对叶轮产生作用 的流体重力；其中，ρQt1＝m是瞬间对叶轮产生作用的流体质量。式 也可以表示为力学形式：
式中，I0是流体流入涡轮机的初始动量，因为它是瞬间量，所以，被看作驱 动力；P表示后边流体对前边流体的推动力；F表示流体产生的浮力，在涡轮机 内下行流体的浮力等于0，即F＝0；重力G由在涡轮机内的所有流体质量产生； t1为流体从进入涡轮机的入口流入到从从涡轮机的排出口排出的流体运行时间， 也就是流体在涡轮机内滞留的时间。
综上所述，涡流能利用的作用学方法是：人为将流体的运动能转化为涡流， 再将涡流能的部分转化为机械能，并考虑最有效地利用流体能量或涡流能量。 该方法的核心是通过增大流体对涡轮机作用空间(即作用面积)和作用时间来 实现提高流体能或涡流能效率的方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。