曹立峰1，2，周受钦2，谢小鹏1
(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640； 2.中国国际海运集装箱(集团)股份有限公司，深圳 518067)
[摘要] 本文中旨在探讨在采用表面气膜减阻方法时，不同小孔直径对厢体表面气膜减阻效果的影响。首先，通过CFD仿真定性分析小孔直径对厢体表面气流分布的影响，发现随着小孔直径的增大，厢体表面气流分布的扩散现象愈加明显。然后，在可变风速测阻装置中，以表面无喷气小孔的厢体模型作为对照模型，分别对具有5种不同小孔直径的厢体模型进行风阻测试，结果表明，仿真结果与实验结果基本吻合，气膜减阻效果随着小孔直径的增大而增强。为气膜减阻在厢体表面减阻中的实际应用提供参考。
关键词：厢式运输车；气膜减阻；摩擦阻力；CFD仿真；风阻测试
国内外对于减阻的研究很多，减阻主要包括仿生学减阻[1－3]、气膜减阻[4－6]、微气泡减阻[7，8]、沟槽减阻[9－11]、聚合物添加剂减阻[12－13]、疏水材料减阻[14－15]、表面活性剂减阻[16－17]和车体尾部喷气减阻等方式[18]。其中，气膜减阻是一种简单、容易实现的减阻方式。国内外很多学者通过实验验证了气膜减阻在水上船舶或水下潜艇等方面具有较好的减阻效果，但关于气膜减阻在车辆减阻中的尝试和应用目前研究较少。文献[4]中提出了薄膜渗透氢气法降低列车空气阻力的构想，但由于氢气是一种易燃易爆的气体，存在严重的安全隐患，目前还没有实际应用。文献[5]中突破传统的思维定式，将船舶上的气膜减阻技术尝试性地应用到厢式运输车厢体表面减阻上，并通过实验证实气膜减阻应用在厢式运输车厢体表面减阻上的有效性。文献[6]中对厢体表面气膜减阻的机理进行了探讨，并建立了相对应的厢体表面摩擦阻力计算模型。为进一步探讨厢体表面小孔直径对厢体气膜减阻效果的影响，本文中分别通过CFD仿真和模型风阻测试对气膜减阻进行研究。
本文中探讨的气膜减阻是在厢式运输车的厢体表面上渗透出空气，相当于在外部高速气流与厢体表面之间，形成一层相对车体表面为零速或者低速的渗透动态空气膜，以减少和部分隔断外部高速气流与车厢体表面的直接摩擦作用，从而减少厢体表面的摩擦阻力实现减阻效果[5]。厢体表面的气膜减阻示意图如图1所示。
图1 厢式运输车的气膜减阻示意图[5]
为了探讨不同小孔直径对厢体表面气膜减阻效果的影响，本文中将分别从CFD仿真和模型风阻测试两方面进行探讨。
2.1 三维建模
为便于探讨小孔直径对厢体表面气膜减阻效果的影响，将厢体简化为一个长方体结构。结合厢体尺寸，按照1∶100的比例建立厢体的三维模型，其长×宽×高分别为100mm×20mm×20mm。左侧表面开有渗流小孔，模拟有气膜条件时的厢体表面，厢体和表面小孔单元的分布如图2所示。
2.2 边界条件的设定
入口条件设定为速度入口条件，包括主流速度和渗流速度，出口条件设定为压力出口，其中x方向为来流方向，y和z方向上的速度分量为零，流体介质为空气，取空气密度为1.225kg/m3，空气的动力黏度为1.789×10－5Pa·s，大气压强为标准大气压，为便于对比厢体表面的压强相对于大气压强的大小，本文中采用相对压强计算。由于厢式运输车厢体模型为规则的对称结构，根据CFD仿真传统的处理方法，为减小网格划分任务量，采用厢体的一半作为计算域的大小，计算域的设定如图3所示。
图2 厢体和小孔单元分布结构图
图3 计算域的设定
结合厢体外部的流场为定常、等温和不可压缩流场，仿真过程中采用的流体控制方程和RNG-k湍流模型方程参见文献[18]。
2.3 厢体表面气流分布
为探讨小孔直径d对厢体表面气膜减阻效果的影响，设定其中小孔斜度为90°(即小孔垂直于厢体表面)、相邻两小孔之间的横向间距为5mm。当小孔直径d分别为0.5，1，1.5，2和2.5mm时，在主流速度25m/s和渗流速度3m/s条件下，厢体表面小孔附近的总压力分布如图4所示。
由图4可见，小孔中的气流从厢体表面渗出后，在厢体表面形成一层渗透空气气膜层，在外部高速空气流的作用下，这些气膜层不断地被外部的高速空气流带走，并沿着主流速度方向扩散，从而使内部渗透空气流在小孔的下游尾部形成了较为明显的尾部低压区域。同时渗透空气流也源源不断地从空气渗透小孔中溢出，保证了在厢体表面有一层持续的动态渗透空气膜。
同时还可发现:随着小孔直径d的增大，气流渗流量逐渐增多，尤其当小孔直径为2.5mm时，小孔的尾流在厢体表面的扩散现象更加明显，从而更有效地降低了高速气流与厢体表面之间的直接摩擦作用，使减阻效果更加显著。
图4 不同孔径时厢体表面的总压力分布
3.1 厢体模型
本文中结合厢式运输车的常速行驶速度，仅探讨主流速度为25m/s时的情形。本实验过程中厢体模型的小孔斜度为90°、纵向间距和横向间距均为5mm，小孔直径d分别为0.5，1，1.5，2和2.5mm共5种测试模型，探讨在主流速度为25和渗流速度为3m/s时，厢体受到的阻力情况。厢体模型表面的小孔布局分布如图5所示。
图5 测试厢体模型表面小孔分布图
3.2 风阻测试方法
本文中的风阻测试实验均在自主开发的可变风速测阻装置中进行，通风机产生的气流速度模拟主流速度，可变风速测阻装置和测试系统如图6所示。此外，空气压缩机产生的空气流经过空气渗透小孔在厢体表面形成气膜条件。
在风阻测试过程中，厢式运输车模型的固定状况直接关系到测试结果的准确性。因此，为了能尽量真实地模拟厢式运输车的行驶环境，厢式运输车模型应水平放置在双导轨上，并由细线水平固定，且细线的前端结点与测力计受拉端相连接，细线的后端结点位于厢式运输车模型尾部端面的中心点处，这样可使细线在测试过程中受力更加均匀。
为在厢体表面形成连续不断的渗透空气流，本实验中的空气源采用空气压缩机泵送空气的形式。压缩机型号为GL-0.12/8，电机功率为2.2kW，容量为30L，转速为2 880r/min，排气量为0.12m3/min，气压为0.8MPa。空气压缩机的出气端有排气阀(也称泄流阀)和流量控制调节阀(也称节流阀)。泄流阀的作用是将多余的空气流从该阀中排出。调节阀的作用是调节管道中出气量，使之符合实验要求，GL-0.12/8空气压缩机如图7所示。
为得知厢体表面小孔中的气流速度，在压缩机的出气端安装了如图8所示的气体流量计。
图6 可变风速测阻装置及测试系统
图7 GL-0.12/8空气压缩机
图8 MF5712型气体流量计
气体流量计的进气端与空气压缩机的出气端连接，气体流量计的出气端与厢式运输车厢体模型尾部的进气端连接。通过该气体流量计可读出泵入空气的瞬时气流量和累积气流量。
由于实验中需要的空气量少，可先让空气压缩机运行一段时间，通过气体流量计的读数可观察气流是否稳定，待气流稳定后可先通过粗调泄流阀、后精调调节阀的方式，实现厢体内部气流的稳定输入。
厢体表面渗流速度直接影响气膜的形成状态和气膜减阻效果。为探讨厢体表面在同一主流速度、不同渗流速度条件下的风阻力，须对通入的气流量
由式(2)可知，可以通过观察气体流量计的流量，适当调节空气压缩机流量控制阀的开度，进而达到实验过程中所需的厢体表面渗流速度条件。
3.3 测试结果分析
在模型风阻测试过程中，除上述5种不同小孔直径的厢体模型外，还包括3D打印的厢体表面无小孔的厢体模型(图中未示)，并将其作为对照模型。
为研究厢体表面在不同小孔直径条件下的气膜减阻效果，将厢体表面有小孔时厢体受到的总阻力和厢体表面无小孔时厢体受到的总阻力进行对比分析，定义减阻率为进行调节。然而无法直接得到厢体表面渗流速度与通入气流量之间的关系。针对上述问题，本实验过程中气体流量计测得的气体流量与小孔渗流速度之间的关系为
式中:Q为空气压缩机中排出气体的气流量；v为小孔中渗出气体的渗流速度大小；d为小孔直径；N为厢体表面上的小孔个数。
由式(1)可得到小孔中渗出气体的渗流速度v与气流量Q之间的关系为
式中:θ为减阻率；F0为在某一风速条件下厢体表面无小孔时厢体受到的总阻力；F1为在同一风速条件下厢体表面有小孔时厢体受到的总阻力。
当主流风速25和渗流速度3m/s时，直径1mm的厢体模型的风阻力测试和数据统计结果分别如图9和图10所示。
图9 厢体模型的风阻力测试(小孔直径d＝1mm)
图10 数据统计界面
同样通过风阻测试实验，可得到其它不同小孔直径(d分别为0.5，1.5，2和2.5mm)条件下厢体模型受到的摩擦阻力和气膜减阻率，以及厢体表面无小孔时厢体模型受到的摩擦阻力，如表1所示。
由表1可见，随着小孔直径的增大，厢体表面的气膜减阻效果逐渐增大。气膜减阻率随着小孔直径的变化趋势如图11所示。
由图可见，当小孔直径为2.5mm时，可以取得约31.02%的最大减阻率。主要原因在于，小孔的直径越大，从小孔中渗出的气体就愈多，这些低速气流在厢体表面形成的低速空气流区域就愈大，起到的减阻效果就更为显著。
针对厢体表面减阻问题，尝试采用厢体表面气膜减阻的方法，并分别通过CFD仿真和模型风阻测试探讨了不同小孔直径对厢体表面气膜减阻效果的影响。
表1 不同小孔直径条件下的气膜减阻率
速度/(m·s－1)摩擦阻力/N 对应流量/(L·min－1)减阻率θ/%小孔直径d/mm主流速度小孔渗流速度有气孔模型无气孔模型Q＝N·v·π·d 2 ()20.5 0.428 0.432 0.926 1.002 1.0 0.409 0.432 5.324 4.027 25 3 1.5 0.373 0.432 13.657 9.061 2.0 0.323 0.432 25.231 16.108 2.5 0.298 0.432 31.019 25.169
图11 气膜减阻率变化趋势
(1)通过CFD仿真定性分析了小孔直径对厢体表面气流分布的影响，发现随着小孔直径的增大，厢体表面气流的扩散分布现象愈加明显。
(2)以厢体表面无小孔的厢体模型作为对照模型，在可变风速测阻装置中分别对具有5种不同小孔直径的厢体模型进行模型风阻测试，结果表明，气膜减阻效果随着小孔直径的增大而增大，为气膜减阻在厢体表面减阻中的实际应用提供了实践支撑。
参考文献：
[1] CHEN H，RAO F，SHANG X，et al.Biomimetic drag reduction study on herringbone riblets of bird feather[J].Journal of Bionic Engineering，2013，10(3):341－349.
[2] BIXLER G D，BHUSHAN B.FLUID drag reduction and efficient self-cleaning with rice leaf and butterfly wing bioinspired surfaces [J].Nanoscale，2013，5(17):7685－7710.
[3] 倪捷，刘志强，胡国梁，等.带有减阻增稳仿生结构的车辆空气动力学特性仿真研究[J].汽车工程，2015，37(12):1390－1394.
[4] 叶立国.薄膜渗透氢气法降低列车空气阻力的构想[J].铁道机车车辆，2002(6):36－37.
[5] 谢小鹏，曹立峰，曾建豪.厢式运输车厢体的气膜减阻法试验研究[J].润滑与密封，2014，39(4):89－92.
[6] 谢小鹏，曹立峰，曾建豪.气膜条件下车厢表面摩擦阻力计算理论研究[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2015，43(2): 96－101.
[7] WU S J，OUYANG K，SHIAH S W.Robust design of microbubble drag reduction in a channel flow using the taguchi method[J].O-cean Engineering，2008，35(8):856－863.
[8] MURAI Y.Frictional drag reduction by bubble injection[J].Experiments in Fluids，2014，55(7):1－28.
[9] MORADI H V，FLORYAN J M.Flows in annuli with longitudinal grooves[J].Journal of Fluid Mechanics，2013，716:280－315.
[10] ZHAO D Y，HUANG Z P，WANG M J，et al.Vacuum casting replication of micro-riblets on shark skin for drag-reducing applications[J].Journal of Materials Processing Technology，2012，212 (1):198－202.
[11] GARCíA-MAYORAL R，JIMéNEZ J.Drag reduction by riblets [J].Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2011，369(1940):
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
[Abstract] 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.
Keywords：vans；drag reduction by air film；frictional resistance；CFD simulation；wind resistance measurement
doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.006
广东省自然科学基金(2016A030313452)资助。
原稿收到日期为2015年12月23日，修改稿收到日期为2016年6月12日。
通信作者：谢小鹏，教授，博士生导师，E-mail:xiexp＠scut.edu.cn。
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