氣動(dòng)附加裝置在降低廂式貨車后體阻力中的有效應(yīng)用

劉現(xiàn)允

摘 要： 廂式貨車運(yùn)輸安全性極高，不會(huì)對(duì)貨物造成損害，在當(dāng)前物流行業(yè)中使用較多。因?yàn)檫\(yùn)輸貨物時(shí)存在一定要求，無法對(duì)貨廂作出較大改動(dòng)，所以只是簡單的優(yōu)化設(shè)計(jì)貨廂外形，不能提升廂式貨車的氣動(dòng)特性。因此，要充分考慮到廂式貨車?yán)@流的特性，將引起氣動(dòng)阻力的因素找出來，通過對(duì)廂式貨車安裝氣動(dòng)附加裝置，能夠讓后體阻力降低。本文在為廂式貨車模型安裝隔柵以后，進(jìn)行了測(cè)力和測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，同時(shí)研究了其

阻力與背部壓力情況。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)附加裝置；廂式貨車；后體阻力

廂式貨車以長方體外形為主，其后體極易出現(xiàn)尾渦脫落，造成出現(xiàn)能量消耗的情況，車廂后體壓力將減少，形成較大的壓差阻力。對(duì)此，需要重新設(shè)計(jì)廂式貨車后部結(jié)構(gòu)，將渦流發(fā)生器、隔柵等各種氣動(dòng)附加裝置安裝在上面。如此一來，可以避免貨車后體出現(xiàn)尾渦脫落的現(xiàn)象，讓貨車后體的尾流結(jié)構(gòu)得到改善，實(shí)現(xiàn)貨車后體氣動(dòng)阻力的降低。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與模型

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為一個(gè)回流式風(fēng)洞，其界面為橢圓形。實(shí)驗(yàn)段全場(chǎng)1.45m，進(jìn)口尺寸為

1.02m×0.76m，出口尺寸為1.07m×0.82m，湍流度ε<1%。模型長 L為360mm，高H為 100mm，寬B為140mm。為模擬貨車的地面效應(yīng)，將一個(gè)尺寸為650mm×500mm的平板安裝在距離模型底部30mm的位置，前后緣45°倒角。實(shí)驗(yàn)中來流風(fēng)速 U0等于 30m/s，基于模型長度L的雷諾數(shù)Re為6.8×105，與汽車模型實(shí)驗(yàn)的自模雷諾數(shù)相符[1]。測(cè)力實(shí)驗(yàn)期間，選擇2kg量程、0.2%靈敏度的一維應(yīng)變阻力天平，測(cè)壓實(shí)驗(yàn)選擇2940Pa量程的機(jī)械式壓力掃描閥系統(tǒng)。廂式貨車模型上開數(shù)個(gè)測(cè)壓孔，內(nèi)徑設(shè)計(jì)成0.8mm，將PVC管與掃描閥傳感器連接起來，測(cè)出具體的壓力值。最后在廂式貨車模型上安裝隔柵，詳見圖1：

實(shí)驗(yàn)過程中隔板高度h分為兩種類型，即 25mm和50mm。不僅包括圖 1中的“井”字形隔柵，在s等于8mm后，將兩條與“井”字形柵平行的橫豎隔板添加到模型對(duì)稱面上，構(gòu)成3橫3豎的隔柵結(jié)構(gòu)，表2為實(shí)驗(yàn)工況和相應(yīng)隔柵參數(shù)：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)期間，通過阻力天平先將模型未

表2 實(shí)驗(yàn)工況和相應(yīng)隔柵參數(shù)

安裝背部隔柵的阻力 D'測(cè)出來，然后將模型安裝背部隔柵時(shí)的阻力 D測(cè)量出來，在無量綱化后得出模型阻力系數(shù)CD：①：通過將模型未安裝背部隔柵系數(shù)CD'與安裝背部隔柵的阻力系數(shù)CD進(jìn)行對(duì)比，能夠獲得阻力減小的具體值：②：在廂式貨車模型上安裝兩種隔柵，即高h(yuǎn)分別為25mm與50mm，能夠得到阻力降低的值，詳見圖3和圖4。通過觀察圖4可知，將高 h為50mm的隔柵安裝在廂式貨車模型上后，控制好隔板與模型后緣的距離，即s為8mm。也就是工況IV，和廂式貨車模型邊緣非常接近，阻力減少值是2.34%。接下來在隔柵的中軸線上添加兩塊隔板，為工況IV，此時(shí)阻力

如圖8所示。測(cè)壓孔離開廂式貨車模型中心貨車安裝背部隔柵，并測(cè)出不同工況下阻力后，用x，y分別表示其橫縱坐標(biāo)，并在無量減小的值，其中最大為7.19%。通過對(duì)其機(jī)理

綱化后獲得壓力系數(shù)Cp：的分析可知，由于隔板與后緣分離的剪切層

廂式貨車模型安裝隔柵后，其后體阻力顯著降低，這是由于模型后體發(fā)生變化，剪切層直接接觸隔板，這樣將不會(huì)出現(xiàn)尾渦結(jié)構(gòu)。隔板附著剪切層以后，其后緣再次分離，導(dǎo)致模型后的分離尾渦區(qū)變得更窄，避免渦量耗散出現(xiàn)損失，從而降低了模型的阻力。

使用Fluent軟件，得出廂式貨車模型安裝隔柵前后的繞流情況，詳見圖5和圖6。從以下兩圖中可知，廂式貨車模型設(shè)置隔柵后，通過改變尾部結(jié)構(gòu)，縮小了分離區(qū)范圍[3]。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)充分考慮其尾渦結(jié)構(gòu)，確保隔板高度設(shè)計(jì)的科學(xué)性，要和模型邊緣保持一定距離，如果隔板偏低，則如圖3中的工況，此時(shí)隔柵高h(yuǎn)為25mm，剪切層將不再與隔板相接觸，最終形成尾渦結(jié)構(gòu)。這樣隔柵將不會(huì)對(duì)模型尾渦產(chǎn)生控制作用，也不能降低模

③：通過模型安裝背部隔柵與未安裝背部隔柵的壓力情況的對(duì)比，未安裝隔柵的模型背部位于負(fù)壓尾流區(qū)，壓力集中于 Cp等于 -0.3左右。模型安裝背部隔柵，且在工況IV下，則顯著提升了壓力分布，此時(shí)Cp接近于0。從這里可以看出，此時(shí)有效控制了模型的下游尾渦，讓分離尾渦區(qū)變得更窄，并提升了背部壓力系數(shù)[4]。所以，在廂式貨車后體安裝背部隔柵這類附加氣動(dòng)裝置，能夠加大鈍體模型的背部壓力，讓模型后體壓差阻力降低。

3 結(jié)論

總之，在本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，通過將隔柵安裝在廂式貨車模型的背部，得到其阻力變化情況，同時(shí)研究背部的壓力，分析影響阻力變化的因素。在實(shí)驗(yàn)過程中，先對(duì)廂式相連，可以形成尾渦區(qū)，讓廂式貨車模型后體發(fā)生變化，減小尾渦區(qū)范圍，讓其背部獲得更大壓力，從而降低阻力。在實(shí)際中，要充分考慮廂式貨車尺寸，合理選擇氣動(dòng)附加裝置，從而最大限度降低其后體阻力。

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