二維凹槽置翼減阻技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

劉艾明，熊鰲魁，巴建彬

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430060;2.中石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng)257237)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于減阻問(wèn)題的研究主要集中在縱向溝槽的減阻機(jī)理及其效果上面，橫向溝槽減阻技術(shù)的研究則起步較晚。

討論橫向溝槽是否減阻的文章較多，但目前尚無(wú)定論［1-12］。對(duì)于平板而言，如果在平板上某處開(kāi)一凹槽可消除當(dāng)?shù)啬Σ磷枇Γ捎谛纬蓧翰钭枇?dǎo)致總阻力一般會(huì)增加。此時(shí)如果再在凹槽內(nèi)適當(dāng)?shù)牡胤椒胖靡粰C(jī)翼，利用機(jī)翼產(chǎn)生的升力以及對(duì)槽內(nèi)壓力分布產(chǎn)生的有利干擾，就可以抵消掉部分壓差阻力，從而達(dá)到低于平板阻力的減阻效果。這就是凹槽置翼是一種新型的減阻技術(shù)［13］的基本思想。但機(jī)翼安裝在什么位置，何種姿態(tài)下才能達(dá)到最佳的減阻效果，需通過(guò)研究確定。為了探討平板開(kāi)槽加機(jī)翼后的減阻效果，尋求改善減阻效果的方法和途徑，在風(fēng)洞中對(duì)凹槽置翼減阻技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法

為了討論凹槽置翼這一減阻技術(shù)的減阻效果，在單回流閉路式風(fēng)洞中采用應(yīng)變式測(cè)力傳感器分別測(cè)量平板模型、平板開(kāi)槽模型及平板開(kāi)槽置翼模型在不同風(fēng)速下的總阻力。然后比較各模型的總阻力，研究開(kāi)槽及加機(jī)翼對(duì)減阻效果的影響。

風(fēng)洞為立式單回流閉路式風(fēng)洞，試驗(yàn)段橫截面為長(zhǎng)方形，其寬為400 mm，高為265 mm，試驗(yàn)段全長(zhǎng)800 mm。

將上述3種模型置于風(fēng)洞試驗(yàn)段，調(diào)節(jié)風(fēng)速，用應(yīng)變式測(cè)力傳感器分別測(cè)量不同風(fēng)速時(shí)上述3種情況下的總阻力。測(cè)力傳感器量程為0～5 N，實(shí)驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄆ桨濉⑵桨彘_(kāi)一凹槽、凹槽內(nèi)加翼模型，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

平板長(zhǎng)450 mm，寬390 mm。除機(jī)翼外，所有模型均采用有機(jī)玻璃制作。凹槽為矩形，開(kāi)在平板中部，長(zhǎng)為150 mm，寬為390 mm，深為150 mm。采用的機(jī)翼類(lèi)型為NACA2412，機(jī)翼弦長(zhǎng)為68 mm。

為了研究機(jī)翼安裝位置和角度對(duì)減阻效果的影響，機(jī)翼的安裝位置和角度都是可以調(diào)節(jié)的，本試驗(yàn)實(shí)測(cè)了機(jī)翼安裝在3個(gè)不同位置的阻力。在同一位置，以機(jī)翼弦長(zhǎng)中心點(diǎn)為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)不同的角度(見(jiàn)圖2)，就可以測(cè)量不同俯仰角時(shí)的總阻力。坐標(biāo)原點(diǎn)位于凹槽中心處，不同位置機(jī)翼弦長(zhǎng)中點(diǎn)處坐標(biāo)分別為:位置1(x=-7 mm，y=-16 mm)，位置2(x=2 mm，y=-22 mm)以及位置3(x=11 mm，y=-8 mm)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 平板和開(kāi)槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同雷諾數(shù)的平板和開(kāi)槽模型實(shí)測(cè)總阻力系數(shù)見(jiàn)圖3。雷諾數(shù)及阻力系數(shù)的定義分別為

式中:U——來(lái)流風(fēng)速;

L——平板長(zhǎng)度，L=0.45 m;

ν——空氣粘性系數(shù);

F——實(shí)測(cè)總阻力;

A——平板面積，A=0.45 m×0.39 m。

從圖3可以看出，總體上隨著雷諾數(shù)的增加，平板的阻力系數(shù)呈減小的趨勢(shì)，并且其變化曲線(xiàn)趨勢(shì)較光滑，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。而開(kāi)槽后的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系則比較復(fù)雜，較低雷諾數(shù)情況外平板開(kāi)槽后其總阻力明顯高于平板。并且雷諾數(shù)越大，增阻率就越大。這是因?yàn)槠桨彘_(kāi)槽后與平板平行的槽底面與不開(kāi)槽相比摩擦阻力會(huì)減小，但開(kāi)槽后會(huì)形成兩個(gè)和平板垂直的側(cè)面，其上會(huì)有流體壓力的作用從而形成壓差阻力，且該壓差阻力隨來(lái)流速度增大而加大，兩項(xiàng)相抵仍表現(xiàn)為阻力。所以開(kāi)槽后總阻力要大于平板的總阻力。

圖3 平板和開(kāi)槽模型總阻力系數(shù)

3.2 平板開(kāi)槽置翼減阻效果分析

為了進(jìn)一步探討改善平板開(kāi)槽后加機(jī)翼的減阻效果，對(duì)機(jī)翼安裝方式進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)，主要研究機(jī)翼在不同位置、不同機(jī)翼俯仰角度時(shí)對(duì)減阻效果的影響。

機(jī)翼安裝在不同位置時(shí)，總阻力隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)翼在不同位置時(shí)的總阻力

由圖4可見(jiàn)，對(duì)于機(jī)翼的這3種安裝位置，總體上開(kāi)槽置翼后有一定的減阻效果，而且減阻效果與雷諾數(shù)有關(guān)，雷諾數(shù)越大，減阻效果越差。這可能是因?yàn)殡S著雷諾數(shù)的增加，凹槽的壓差阻力在總阻力所占的比重增大，置翼抵消阻力的效果減小。當(dāng)雷諾數(shù)小于6.56×105時(shí)，機(jī)翼安裝在這3個(gè)位置時(shí)，不同角度都有減阻效果。雷諾數(shù)為3.10×105減阻率最大(其中減阻率的定義為平板總阻力和開(kāi)槽加翼后的總阻力之差除以平板總阻力)，在13%～35%范圍內(nèi);當(dāng)雷諾數(shù)為4.17×105～6.56×105，減阻率則未超過(guò)15%。當(dāng)雷諾數(shù)大于6.56×105時(shí)，除了位置3機(jī)翼角度為10°時(shí)可以減阻外，其余尚起不到減阻的作用，反而增加了阻力。

然而在絕大多數(shù)情況下，開(kāi)槽置翼都比單純開(kāi)槽情況明顯要好，說(shuō)明置翼能抵消部分開(kāi)槽壓差阻力。

因此實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平板開(kāi)槽后加入機(jī)翼后的確可以起到減阻的效果，但其位置應(yīng)隨雷諾數(shù)不同而調(diào)整。

圖5給出的是雷諾數(shù)為4.17×105時(shí)，在同一位置，減阻率隨角度的變化關(guān)系。機(jī)翼在位置1、0°時(shí)減阻率高達(dá)30%，而40°時(shí)不到13%;機(jī)翼在位置3、10°時(shí)減阻率最大，達(dá)到22%，而30°時(shí)沒(méi)有減阻效果;機(jī)翼在位置2時(shí)，不同角度的減阻率變化沒(méi)有位置1和2變化幅度大，減阻率在8%～12%的范圍內(nèi)。這表明在同一雷諾數(shù)，同一位置時(shí)，機(jī)翼的角度對(duì)減阻的效果影響顯著。

當(dāng)機(jī)翼角度一定，在同一雷諾數(shù)時(shí)(Re=5.36×105)，機(jī)翼安裝在不同位置的減阻率見(jiàn)圖6。以10°為例，機(jī)翼位置1時(shí)減阻率較小，為3%;機(jī)翼位置3時(shí)的減阻率則高達(dá)14%。由圖6可以看出機(jī)翼的位置對(duì)減阻效果影響明顯。

圖6 機(jī)翼位置與減阻率的關(guān)系(Re=5.36×105)

綜上所述，機(jī)翼的安裝位置和角度對(duì)減阻效果影響顯著，在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)減阻率約在-5%～30%。

4 減阻機(jī)理探討

平板開(kāi)槽后，在槽內(nèi)形成一個(gè)與槽的尺度相當(dāng)?shù)幕亓鳎捎谏舷掠未怪北诿嫔系膲毫τ绊懀绕涫窍掠伪诿妫瑝毫蛠?lái)流方向一致而且較大，表現(xiàn)為阻力，因此相較于平板而言，開(kāi)槽后的總阻力一般會(huì)明顯增加。但在凹槽內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢梅胖靡粰C(jī)翼(見(jiàn)圖7)，如果機(jī)翼的升力F在平行于來(lái)流方向的分量F1足夠大，就能夠抵消掉一部分阻力。另外，由于機(jī)翼的影響，凹槽內(nèi)的壓力場(chǎng)也會(huì)改變，就有可能減小垂直壁面上由于壓力而增加的阻力。這樣，總阻力就可能減小，從而達(dá)到減阻的目的。

圖7 開(kāi)槽置翼減阻示意

5 結(jié)論

1)通過(guò)在平面開(kāi)槽加機(jī)翼的方式的確可以達(dá)到減阻效果。

2)不同的機(jī)翼安裝位置和角度對(duì)減阻效果影響明顯，本文的實(shí)驗(yàn)范圍表明減阻率在-5%～35%，因此在實(shí)用中以最佳幾何方式安裝機(jī)翼是有重要意義的。

上述兩點(diǎn)基本特征與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

3)減阻效果與雷諾數(shù)有關(guān)，在本文討論的實(shí)驗(yàn)情況中，同等條件下，減阻率隨雷諾數(shù)的增加而減小。并且并非在不同位置或角度安裝機(jī)翼均能減阻，在本文的實(shí)驗(yàn)研究中，有些位置或角度時(shí)并不減阻，反而增阻，但增阻率較小。

凹槽置翼減阻是文中提出的一種新型的減阻方法。本文的工作僅是探索性地通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其原理，機(jī)翼位置、凹槽的形狀、尺寸以及機(jī)翼的大小和類(lèi)型對(duì)減阻效率的影響，特別是在高雷諾數(shù)條件下的效果，還有待于進(jìn)一步研究。

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