曹立峰，周受欽，謝小鵬

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2.中國國際海運集裝箱(集團)股份有限公司，深圳 518067)

小孔直徑對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.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2.中國國際海運集裝箱(集團)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，不同小孔直徑對廂體表面氣膜減阻效果的影響。首先，通過CFD仿真定性分析小孔直徑對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散現(xiàn)象愈加明顯。然后，在可變風速測阻裝置中，以表面無噴氣小孔的廂體模型作為對照模型，分別對具有5種不同小孔直徑的廂體模型進行風阻測試，結果表明，仿真結果與實驗結果基本吻合，氣膜減阻效果隨著小孔直徑的增大而增強。為氣膜減阻在廂體表面減阻中的實際應用提供參考。

廂式運輸車；氣膜減阻；摩擦阻力；CFD仿真；風阻測試

前言

國內外對于減阻的研究很多，減阻主要包括仿生學減阻[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]和車體尾部噴氣減阻等方式[18]。其中，氣膜減阻是一種簡單、容易實現(xiàn)的減阻方式。國內外很多學者通過實驗驗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，但關于氣膜減阻在車輛減阻中的嘗試和應用目前研究較少。文獻[4]中提出了薄膜滲透氫氣法降低列車空氣阻力的構想，但由于氫氣是一種易燃易爆的氣體，存在嚴重的安全隱患，目前還沒有實際應用。文獻[5]中突破傳統(tǒng)的思維定式，將船舶上的氣膜減阻技術嘗試性地應用到廂式運輸車廂體表面減阻上，并通過實驗證實氣膜減阻應用在廂式運輸車廂體表面減阻上的有效性。文獻[6]中對廂體表面氣膜減阻的機理進行了探討，并建立了相對應的廂體表面摩擦阻力計算模型。為進一步探討廂體表面小孔直徑對廂體氣膜減阻效果的影響，本文中分別通過CFD仿真和模型風阻測試對氣膜減阻進行研究。

1 氣膜減阻機理

本文中探討的氣膜減阻是在廂式運輸車的廂體表面上滲透出空氣，相當于在外部高速氣流與廂體表面之間，形成一層相對車體表面為零速或者低速的滲透動態(tài)空氣膜，以減少和部分隔斷外部高速氣流與車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 廂式運輸車的氣膜減阻示意圖[5]

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

2 CFD仿真研究

2.1 三維建模

為便于探討小孔直徑對廂體表面氣膜減阻效果的影響，將廂體簡化為一個長方體結構。結合廂體尺寸，按照1∶100的比例建立廂體的三維模型，其長×寬×高分別為100mm×20mm×20mm。左側表面開有滲流小孔，模擬有氣膜條件時的廂體表面，廂體和表面小孔單元的分布如圖2所示。

2.2 邊界條件的設定

入口條件設定為速度入口條件，包括主流速度和滲流速度，出口條件設定為壓力出口，其中x方向為來流方向，y和z方向上的速度分量為零，流體介質為空氣，取空氣密度為1.225kg/m3，空氣的動力黏度為1.789×10－5Pa·s，大氣壓強為標準大氣壓，為便于對比廂體表面的壓強相對于大氣壓強的大小，本文中采用相對壓強計算。由于廂式運輸車廂體模型為規(guī)則的對稱結構，根據(jù)CFD仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的處理方法，為減小網格劃分任務量，采用廂體的一半作為計算域的大小，計算域的設定如圖3所示。

圖2 廂體和小孔單元分布結構圖

圖3 計算域的設定

結合廂體外部的流場為定常、等溫和不可壓縮流場，仿真過程中采用的流體控制方程和RNG-k湍流模型方程參見文獻[18]。

2.3 廂體表面氣流分布

為探討小孔直徑d對廂體表面氣膜減阻效果的影響，設定其中小孔斜度為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。當小孔直徑d分別為0.5，1，1.5，2和2.5mm時，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，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散，從而使內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)的動態(tài)滲透空氣膜。

同時還可發(fā)現(xiàn):隨著小孔直徑d的增大，氣流滲流量逐漸增多，尤其當小孔直徑為2.5mm時，小孔的尾流在廂體表面的擴散現(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 不同孔徑時廂體表面的總壓力分布

3 模型風阻測試

3.1 廂體模型

本文中結合廂式運輸車的常速行駛速度，僅探討主流速度為25m/s時的情形。本實驗過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種測試模型，探討在主流速度為25和滲流速度為3m/s時，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 測試廂體模型表面小孔分布圖

3.2 風阻測試方法

本文中的風阻測試實驗均在自主開發(fā)的可變風速測阻裝置中進行，通風機產生的氣流速度模擬主流速度，可變風速測阻裝置和測試系統(tǒng)如圖6所示。此外，空氣壓縮機產生的空氣流經過空氣滲透小孔在廂體表面形成氣膜條件。

在風阻測試過程中，廂式運輸車模型的固定狀況直接關系到測試結果的準確性。因此，為了能盡量真實地模擬廂式運輸車的行駛環(huán)境，廂式運輸車模型應水平放置在雙導軌上，并由細線水平固定，且細線的前端結點與測力計受拉端相連接，細線的后端結點位于廂式運輸車模型尾部端面的中心點處，這樣可使細線在測試過程中受力更加均勻。

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

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

圖6 可變風速測阻裝置及測試系統(tǒng)

圖7 GL-0.12/8空氣壓縮機

圖8 MF5712型氣體流量計

氣體流量計的進氣端與空氣壓縮機的出氣端連接，氣體流量計的出氣端與廂式運輸車廂體模型尾部的進氣端連接。通過該氣體流量計可讀出泵入空氣的瞬時氣流量和累積氣流量。

由于實驗中需要的空氣量少，可先讓空氣壓縮機運行一段時間，通過氣體流量計的讀數(shù)可觀察氣流是否穩(wěn)定，待氣流穩(wěn)定后可先通過粗調泄流閥、后精調調節(jié)閥的方式，實現(xiàn)廂體內部氣流的穩(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阻力，須對通入的氣流量

由式(2)可知，可以通過觀察氣體流量計的流量，適當調節(jié)空氣壓縮機流量控制閥的開度，進而達到實驗過程中所需的廂體表面滲流速度條件。

3.3 測試結果分析

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

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廂體受到的總阻力和廂體表面無小孔時廂體受到的總阻力進行對比分析，定義減阻率為進行調節(jié)。然而無法直接得到廂體表面滲流速度與通入氣流量之間的關系。針對上述問題，本實驗過程中氣體流量計測得的氣體流量與小孔滲流速度之間的關系為

式中:Q為空氣壓縮機中排出氣體的氣流量；v為小孔中滲出氣體的滲流速度大小；d為小孔直徑；N為廂體表面上的小孔個數(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之間的關系為

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

當主流風速25和滲流速度3m/s時，直徑1mm的廂體模型的風阻力測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分別如圖9和圖10所示。

圖9 廂體模型的風阻力測試(小孔直徑d＝1mm)

圖10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面

同樣通過風阻測試實驗，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，以及廂體表面無小孔時廂體模型受到的摩擦阻力，如表1所示。

由表1可見，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如圖11所示。

由圖可見，當小孔直徑為2.5mm時，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 結論

針對廂體表面減阻問題，嘗試采用廂體表面氣膜減阻的方法，并分別通過CFD仿真和模型風阻測試探討了不同小孔直徑對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

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

(2)以廂體表面無小孔的廂體模型作為對照模型，在可變風速測阻裝置中分別對具有5種不同小孔直徑的廂體模型進行模型風阻測試，結果表明，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際應用提供了實踐支撐。

[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，劉志強，胡國梁，等.帶有減阻增穩(wěn)仿生結構的車輛空氣動力學特性仿真研究[J].汽車工程，2015，37(12):1390－1394.

[4] 葉立國.薄膜滲透氫氣法降低列車空氣阻力的構想[J].鐵道機車車輛，2002(6):36－37.

[5] 謝小鵬，曹立峰，曾建豪.廂式運輸車廂體的氣膜減阻法試驗研究[J].潤滑與密封，2014，39(4):89－92.

[6] 謝小鵬，曹立峰，曾建豪.氣膜條件下車廂表面摩擦阻力計算理論研究[J].華南理工大學學報(自然科學版)，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，F(xiàn)LORYAN 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

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，博士生導師，E-mail:xiexp＠scut.edu.cn。