“梅里迪斯效应”的历史与现实

万磁王

作者：数据删除
来自空军之翼

　　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。

　　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 ...

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

万磁王

　　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

经典的布雷顿循环p-v图和t-s图，可以结合上图比对

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　　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

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　　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

　　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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　　这方面的佼佼者中当然不得不说P-51“野马”；P-51的散热器设计如此典型又特别，以至于你搜索“P-51”和“梅里迪斯效应”之间任何一个关键词，几乎都能在搜索结果中同时看到另一个。但事实上，“野马”的设计过程中北美公司的团队并未有接触并参考过梅里迪斯的文章和理论，野马散热器的额外特性是在事后发现的：在原型机首飞后的模型风洞测试中，工程师们发现实际飞行的真机却做到了比根据风洞中用电机驱动螺旋桨的模型测试数据推算出的更高的性能，散热器产生了在风洞中没被还原出来的额外的推力；而这还没有让北美的工程师满意，从NA-73X原型机开始直到最终的野马量产型号P-51H/F-82诸型，“野马”的液冷散热器还经历过多次设计改进，效率继续不断提高，“野马”最重要的设计者之一Atwood曾直言，散热器设计对野马的高速性能贡献甚至比层流翼要更多。尽管如此，80年代使用模拟方法进行的复算依然认为至少P-51D的散热器通道依然有改进空间。

从NA-73X原型机到“灰背隼野马”，“野马”的散热器已经经历了三次设计改进；在之后的“轻量化野马”（P-51G/H/K以及F-82的机身）上还会再经历一轮改进，图中没有标出

80年代的气动模拟研究认为P-51D的散热器通道内依然存在比较明显的表面流动分离限制了其效率提高（左图）；个人认为在“灰背隼野马”散热器改进过程中需要解决的抖振问题（右图）可能也与此相关

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　　另一方面，另一型家喻户晓的名机“喷火”，则在设计过程中就有将梅里迪斯的方法纳入考量（近水楼台先得月，RAE的自己人发表的文章肯定会被第一时间注意到），但“喷火”的机翼厚度和从起落架后到机翼后缘的前后距离限制了散热器通道和出口的布置空间，使得“喷火”的换热器正面积与进气口的比例比“野马”小了不少，这使“喷火”无法和“野马”一样充分利用这一方法来减小阻力，喷火下一次在散热器效率上得到大幅提高，则要等到“怨恨”和“海毒牙”了，它们通过加大散热器的宽度来得到了更高的面积比。

修复中的“喷火”Mk.IX MH603号机；可以注意到散热器和前后通道已经用尽所有的可用空间，无法继续扩展了

“喷火”的继任者“怨仇”更换了全新设计的机翼，让散热器得以使用更宽的翼展空间

万磁王

　　相对于这几架能够容易通过设计者回忆和公开的设计资料中得到有用信息的知名飞机，在缺乏更加具体的原始设计信息的前提下，试图自行对更多机型的散热器效果进行评估显然是一件过于困难的事，我不再有能力就这方面展开进一步的讨论，欢迎大家提出资料或见解。

Bf109的散热器截面设计沿革；显然在109E上设计师们注意到了散热器通道内的气流分离，并在109F上增加了一个边界层通道来试图改善这个问题，同时进气口和换热器的面积比也进一步增大

万磁王

　　到了二战末期研发的最后一批活塞发动机“恐龙”，当战斗机的性能开始碰到边际效应的“天花板”，更进一步的性能需求也逼迫设计师们进一步精心优化无论是气冷还是液冷飞发动机的散热器设计，就像发动机自身性能的提高和飞机各处气动设计的不断进步一样。但这一切也都随着二战的结束和喷气/涡桨发动机的崛起戛然而止：由于发动机特性和驱动方式的差异，在二战后的几十年里，活塞发动机在航空中的应用领域逐渐退缩到各类轻型、低速的通航/教练飞机上。

就大规模量产使用的机型而言，大概比这大的基本就都用着涡桨了……

活塞发动机-螺旋桨驱动的组合在相当低的速度范围内才有燃油效率优势，更不提这一系统相对较低的推重比

万磁王

　　在这些“小低慢”上，减阻往往需要让步于减重，性能往往要让步于成本。比起二战时的怪兽们要低得多的飞行速度大幅降低了精心设计的散热器通道减少的截面积和产生推力所带来的好处，用长长的通道去侵占机身/机翼内部空间的同时制造更多的结构重量反而成了重量和维护的累赘。更重要的是，设计理论和方法的进一步成熟直接消除了所谓“梅里迪斯效应”的特殊性，对于汽车和航空工业而言，散热器部分正确的空气动力学和热动力学/传热学设计优化成为了家常便饭一样的事情，或者我们不如说，“梅里迪斯效应”本身其实就很难值得上是一个用专有名词定义的物理效应。

不过凡事总有例外……以超高燃油效率和超低成本为目标的Celera  500L没有使用涡桨发动机，而是选用了涡轮增压柴油V12发动机作为动力；机背上的散热器清晰可见

就汽车制造业而言，散热器的设计已经和整车空气动力学/热动力学融合为一体，不太有人单独抽出来如此特定地讨论了

　　关于这点，通过前文的原理解释，我们可以试着先给“梅里迪斯效应”所代表的效应作出一个定义：一个在气流中的散热器有效利用热能产生推力抵消自身阻力的现象。但如果这样说的话，散热器产生的推力和阻力相互平衡或推力大于阻力本身并非是或伴随着任何具有特殊性的物理现象与规律，这样一个具有外部输入内能的系统对外做正功的能力大小是由具体工程设计的效率而非基本原理决定的，而将这个结果定义为一个效应，就像是将飞机可以动力飞行这件事起名为“乔治•凯利效应”或者“莱特兄弟效应”一样（一位从理论上、而另两位从实践上证明了重于空气的载具可以飞，正如我们的梅里迪斯在理论上证明了散热器至少可以实现功耗平衡一样）；飞机可以飞行显然是大量工程设计和原理的复合结果，我们不会用一个词把它们全都套在一起。

万磁王

　　到了这里，关于梅里迪斯效应也快说完了。尽管我们在最后似乎直接否定了“梅里迪斯效应”这个名词，但它背后真实的原理和相关的工程历史却是值得注意的：这个名词所表达的现象完全真实存在并且可以被用来解释很多更宽泛的飞机设计和性能问题；但它也不是一种需要使用特殊方法得到特殊结果的“魔法”行为，对相关历史时期的飞机散热器设计依然不应该用“贴标签”的方法简单区分，需要在更明确基础原理的前提下更多的注意具体的工程实现方式。
　　没完，还有一件事，你们也许会喜欢的。
　　“……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）……”
　　这不仅可以用在普通的液冷/气冷发动机散热器上，也被用在飞机的核动力推进上。只是在这里，热源不再是一台内燃机，而是一个反应堆。比较温和环保的方式是依然使用传统的传热介质（冷却液）从反应堆吸热，然后再通过换热器加热吸入的加压空气；

间接传热核动力喷气引擎的原理简图；扩散管和喷管这次被真正正统的压气机与涡轮取代，可以看到反应堆和气流并不直接接触