曹立峰，周受欽，謝小鵬

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640； 2.中國(guó)國(guó)際海運(yùn)集裝箱(集團(tuán))股份有限公司，深圳 518067)

小孔直徑對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響研究?

曹立峰1，2，周受欽2，謝小鵬1

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640； 2.中國(guó)國(guó)際海運(yùn)集裝箱(集團(tuán))股份有限公司，深圳 518067)

本文中旨在探討在采用表面氣膜減阻方法時(shí)，不同小孔直徑對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響。首先，通過(guò)CFD仿真定性分析小孔直徑對(duì)廂體表面氣流分布的影響，發(fā)現(xiàn)隨著小孔直徑的增大，廂體表面氣流分布的擴(kuò)散現(xiàn)象愈加明顯。然后，在可變風(fēng)速測(cè)阻裝置中，以表面無(wú)噴氣小孔的廂體模型作為對(duì)照模型，分別對(duì)具有5種不同小孔直徑的廂體模型進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)試，結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，氣膜減阻效果隨著小孔直徑的增大而增強(qiáng)。為氣膜減阻在廂體表面減阻中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

廂式運(yùn)輸車(chē)；氣膜減阻；摩擦阻力；CFD仿真；風(fēng)阻測(cè)試

前言

國(guó)內(nèi)外對(duì)于減阻的研究很多，減阻主要包括仿生學(xué)減阻[1－3]、氣膜減阻[4－6]、微氣泡減阻[7，8]、溝槽減阻[9－11]、聚合物添加劑減阻[12－13]、疏水材料減阻[14－15]、表面活性劑減阻[16－17]和車(chē)體尾部噴氣減阻等方式[18]。其中，氣膜減阻是一種簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的減阻方式。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氣膜減阻在水上船舶或水下潛艇等方面具有較好的減阻效果，但關(guān)于氣膜減阻在車(chē)輛減阻中的嘗試和應(yīng)用目前研究較少。文獻(xiàn)[4]中提出了薄膜滲透氫氣法降低列車(chē)空氣阻力的構(gòu)想，但由于氫氣是一種易燃易爆的氣體，存在嚴(yán)重的安全隱患，目前還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]中突破傳統(tǒng)的思維定式，將船舶上的氣膜減阻技術(shù)嘗試性地應(yīng)用到廂式運(yùn)輸車(chē)廂體表面減阻上，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)氣膜減阻應(yīng)用在廂式運(yùn)輸車(chē)廂體表面減阻上的有效性。文獻(xiàn)[6]中對(duì)廂體表面氣膜減阻的機(jī)理進(jìn)行了探討，并建立了相對(duì)應(yīng)的廂體表面摩擦阻力計(jì)算模型。為進(jìn)一步探討廂體表面小孔直徑對(duì)廂體氣膜減阻效果的影響，本文中分別通過(guò)CFD仿真和模型風(fēng)阻測(cè)試對(duì)氣膜減阻進(jìn)行研究。

1 氣膜減阻機(jī)理

本文中探討的氣膜減阻是在廂式運(yùn)輸車(chē)的廂體表面上滲透出空氣，相當(dāng)于在外部高速氣流與廂體表面之間，形成一層相對(duì)車(chē)體表面為零速或者低速的滲透動(dòng)態(tài)空氣膜，以減少和部分隔斷外部高速氣流與車(chē)廂體表面的直接摩擦作用，從而減少廂體表面的摩擦阻力實(shí)現(xiàn)減阻效果[5]。廂體表面的氣膜減阻示意圖如圖1所示。

圖1 廂式運(yùn)輸車(chē)的氣膜減阻示意圖[5]

為了探討不同小孔直徑對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響，本文中將分別從CFD仿真和模型風(fēng)阻測(cè)試兩方面進(jìn)行探討。

2 CFD仿真研究

2.1 三維建模

為便于探討小孔直徑對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響，將廂體簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。結(jié)合廂體尺寸，按照1∶100的比例建立廂體的三維模型，其長(zhǎng)×寬×高分別為100mm×20mm×20mm。左側(cè)表面開(kāi)有滲流小孔，模擬有氣膜條件時(shí)的廂體表面，廂體和表面小孔單元的分布如圖2所示。

2.2 邊界條件的設(shè)定

入口條件設(shè)定為速度入口條件，包括主流速度和滲流速度，出口條件設(shè)定為壓力出口，其中x方向?yàn)閬?lái)流方向，y和z方向上的速度分量為零，流體介質(zhì)為空氣，取空氣密度為1.225kg/m3，空氣的動(dòng)力黏度為1.789×10－5Pa·s，大氣壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為便于對(duì)比廂體表面的壓強(qiáng)相對(duì)于大氣壓強(qiáng)的大小，本文中采用相對(duì)壓強(qiáng)計(jì)算。由于廂式運(yùn)輸車(chē)廂體模型為規(guī)則的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)CFD仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的處理方法，為減小網(wǎng)格劃分任務(wù)量，采用廂體的一半作為計(jì)算域的大小，計(jì)算域的設(shè)定如圖3所示。

圖2 廂體和小孔單元分布結(jié)構(gòu)圖

圖3 計(jì)算域的設(shè)定

結(jié)合廂體外部的流場(chǎng)為定常、等溫和不可壓縮流場(chǎng)，仿真過(guò)程中采用的流體控制方程和RNG-k湍流模型方程參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

2.3 廂體表面氣流分布

為探討小孔直徑d對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響，設(shè)定其中小孔斜度為90°(即小孔垂直于廂體表面)、相鄰兩小孔之間的橫向間距為5mm。當(dāng)小孔直徑d分別為0.5，1，1.5，2和2.5mm時(shí)，在主流速度25m/s和滲流速度3m/s條件下，廂體表面小孔附近的總壓力分布如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，小孔中的氣流從廂體表面滲出后，在廂體表面形成一層滲透空氣氣膜層，在外部高速空氣流的作用下，這些氣膜層不斷地被外部的高速空氣流帶走，并沿著主流速度方向擴(kuò)散，從而使內(nèi)部滲透空氣流在小孔的下游尾部形成了較為明顯的尾部低壓區(qū)域。同時(shí)滲透空氣流也源源不斷地從空氣滲透小孔中溢出，保證了在廂體表面有一層持續(xù)的動(dòng)態(tài)滲透空氣膜。

同時(shí)還可發(fā)現(xiàn):隨著小孔直徑d的增大，氣流滲流量逐漸增多，尤其當(dāng)小孔直徑為2.5mm時(shí)，小孔的尾流在廂體表面的擴(kuò)散現(xiàn)象更加明顯，從而更有效地降低了高速氣流與廂體表面之間的直接摩擦作用，使減阻效果更加顯著。

圖4 不同孔徑時(shí)廂體表面的總壓力分布

3 模型風(fēng)阻測(cè)試

3.1 廂體模型

本文中結(jié)合廂式運(yùn)輸車(chē)的常速行駛速度，僅探討主流速度為25m/s時(shí)的情形。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中廂體模型的小孔斜度為90°、縱向間距和橫向間距均為5mm，小孔直徑d分別為0.5，1，1.5，2和2.5mm共5種測(cè)試模型，探討在主流速度為25和滲流速度為3m/s時(shí)，廂體受到的阻力情況。廂體模型表面的小孔布局分布如圖5所示。

圖5 測(cè)試廂體模型表面小孔分布圖

3.2 風(fēng)阻測(cè)試方法

本文中的風(fēng)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)均在自主開(kāi)發(fā)的可變風(fēng)速測(cè)阻裝置中進(jìn)行，通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流速度模擬主流速度，可變風(fēng)速測(cè)阻裝置和測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。此外，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的空氣流經(jīng)過(guò)空氣滲透小孔在廂體表面形成氣膜條件。

在風(fēng)阻測(cè)試過(guò)程中，廂式運(yùn)輸車(chē)模型的固定狀況直接關(guān)系到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了能盡量真實(shí)地模擬廂式運(yùn)輸車(chē)的行駛環(huán)境，廂式運(yùn)輸車(chē)模型應(yīng)水平放置在雙導(dǎo)軌上，并由細(xì)線(xiàn)水平固定，且細(xì)線(xiàn)的前端結(jié)點(diǎn)與測(cè)力計(jì)受拉端相連接，細(xì)線(xiàn)的后端結(jié)點(diǎn)位于廂式運(yùn)輸車(chē)模型尾部端面的中心點(diǎn)處，這樣可使細(xì)線(xiàn)在測(cè)試過(guò)程中受力更加均勻。

為在廂體表面形成連續(xù)不斷的滲透空氣流，本實(shí)驗(yàn)中的空氣源采用空氣壓縮機(jī)泵送空氣的形式。壓縮機(jī)型號(hào)為GL-0.12/8，電機(jī)功率為2.2kW，容量為30L，轉(zhuǎn)速為2 880r/min，排氣量為0.12m3/min，氣壓為0.8MPa?？諝鈮嚎s機(jī)的出氣端有排氣閥(也稱(chēng)泄流閥)和流量控制調(diào)節(jié)閥(也稱(chēng)節(jié)流閥)。泄流閥的作用是將多余的空氣流從該閥中排出。調(diào)節(jié)閥的作用是調(diào)節(jié)管道中出氣量，使之符合實(shí)驗(yàn)要求，GL-0.12/8空氣壓縮機(jī)如圖7所示。

為得知廂體表面小孔中的氣流速度，在壓縮機(jī)的出氣端安裝了如圖8所示的氣體流量計(jì)。

圖6 可變風(fēng)速測(cè)阻裝置及測(cè)試系統(tǒng)

圖7 GL-0.12/8空氣壓縮機(jī)

圖8 MF5712型氣體流量計(jì)

氣體流量計(jì)的進(jìn)氣端與空氣壓縮機(jī)的出氣端連接，氣體流量計(jì)的出氣端與廂式運(yùn)輸車(chē)廂體模型尾部的進(jìn)氣端連接。通過(guò)該氣體流量計(jì)可讀出泵入空氣的瞬時(shí)氣流量和累積氣流量。

由于實(shí)驗(yàn)中需要的空氣量少，可先讓空氣壓縮機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，通過(guò)氣體流量計(jì)的讀數(shù)可觀(guān)察氣流是否穩(wěn)定，待氣流穩(wěn)定后可先通過(guò)粗調(diào)泄流閥、后精調(diào)調(diào)節(jié)閥的方式，實(shí)現(xiàn)廂體內(nèi)部氣流的穩(wěn)定輸入。

廂體表面滲流速度直接影響氣膜的形成狀態(tài)和氣膜減阻效果。為探討廂體表面在同一主流速度、不同滲流速度條件下的風(fēng)阻力，須對(duì)通入的氣流量

由式(2)可知，可以通過(guò)觀(guān)察氣體流量計(jì)的流量，適當(dāng)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)流量控制閥的開(kāi)度，進(jìn)而達(dá)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的廂體表面滲流速度條件。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

在模型風(fēng)阻測(cè)試過(guò)程中，除上述5種不同小孔直徑的廂體模型外，還包括3D打印的廂體表面無(wú)小孔的廂體模型(圖中未示)，并將其作為對(duì)照模型。

為研究廂體表面在不同小孔直徑條件下的氣膜減阻效果，將廂體表面有小孔時(shí)廂體受到的總阻力和廂體表面無(wú)小孔時(shí)廂體受到的總阻力進(jìn)行對(duì)比分析，定義減阻率為進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而無(wú)法直接得到廂體表面滲流速度與通入氣流量之間的關(guān)系。針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體流量計(jì)測(cè)得的氣體流量與小孔滲流速度之間的關(guān)系為

式中:Q為空氣壓縮機(jī)中排出氣體的氣流量；v為小孔中滲出氣體的滲流速度大?。籨為小孔直徑；N為廂體表面上的小孔個(gè)數(shù)。

由式(1)可得到小孔中滲出氣體的滲流速度v與氣流量Q之間的關(guān)系為

式中:θ為減阻率；F0為在某一風(fēng)速條件下廂體表面無(wú)小孔時(shí)廂體受到的總阻力；F1為在同一風(fēng)速條件下廂體表面有小孔時(shí)廂體受到的總阻力。

當(dāng)主流風(fēng)速25和滲流速度3m/s時(shí)，直徑1mm的廂體模型的風(fēng)阻力測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 廂體模型的風(fēng)阻力測(cè)試(小孔直徑d＝1mm)

圖10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

同樣通過(guò)風(fēng)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可得到其它不同小孔直徑(d分別為0.5，1.5，2和2.5mm)條件下廂體模型受到的摩擦阻力和氣膜減阻率，以及廂體表面無(wú)小孔時(shí)廂體模型受到的摩擦阻力，如表1所示。

由表1可見(jiàn)，隨著小孔直徑的增大，廂體表面的氣膜減阻效果逐漸增大。氣膜減阻率隨著小孔直徑的變化趨勢(shì)如圖11所示。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)小孔直徑為2.5mm時(shí)，可以取得約31.02%的最大減阻率。主要原因在于，小孔的直徑越大，從小孔中滲出的氣體就愈多，這些低速氣流在廂體表面形成的低速空氣流區(qū)域就愈大，起到的減阻效果就更為顯著。

4 結(jié)論

針對(duì)廂體表面減阻問(wèn)題，嘗試采用廂體表面氣膜減阻的方法，并分別通過(guò)CFD仿真和模型風(fēng)阻測(cè)試探討了不同小孔直徑對(duì)廂體表面氣膜減阻效果的影響。

表1 不同小孔直徑條件下的氣膜減阻率

圖11 氣膜減阻率變化趨勢(shì)

(1)通過(guò)CFD仿真定性分析了小孔直徑對(duì)廂體表面氣流分布的影響，發(fā)現(xiàn)隨著小孔直徑的增大，廂體表面氣流的擴(kuò)散分布現(xiàn)象愈加明顯。

(2)以廂體表面無(wú)小孔的廂體模型作為對(duì)照模型，在可變風(fēng)速測(cè)阻裝置中分別對(duì)具有5種不同小孔直徑的廂體模型進(jìn)行模型風(fēng)阻測(cè)試，結(jié)果表明，氣膜減阻效果隨著小孔直徑的增大而增大，為氣膜減阻在廂體表面減阻中的實(shí)際應(yīng)用提供了實(shí)踐支撐。

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A Research on the Influence of Hole Diameter on the Air Film Drag Reduction Effects of Van Body Surface

Cao Lifeng1，2，Zhou Shouqin2＆Xie Xiaopeng1
1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640；2.China International Marine Containers(Group)Co.，Ltd.，Shenzhen 518067

This paper aims at investigating the influences of hole diameter on the van surface drag reduction effects when adopting the method of drag reduction by air film.First of all，the effects of hole diameter on the air flow distribution on cube model surface are qualitatively analyzed by CFD simulation，and it is found that the diffusion phenomenon of air flow on cube model surface become more significant with the increase of hole diameter. Then，a wind resistance measurement of cube models with holes of different diameters is conducted in a resistance measurement device，which can produce variable wind speeds，and the results are compared with that of the cube model without air injection holes.The results show that simulation results well agree with that of measurement，and the drag reduction effects are enhanced with the increase of hole diameter.The finding provids references for the practical application of air-film drag reduction scheme to the resistance reduction of van surface.

vans；drag reduction by air film；frictional resistance；CFD simulation；wind resistance measurement

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.006

?廣東省自然科學(xué)基金(2016A030313452)資助。

原稿收到日期為2015年12月23日，修改稿收到日期為2016年6月12日。

謝小鵬，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:xiexp＠scut.edu.cn。