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257237)

目前國內(nèi)外對于減阻問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，但目前尚無定論［1-12］。對于平板而言，如果在平板上某處開一凹槽可消除當(dāng)?shù)啬Σ磷枇?，但由于形成壓差阻力?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，需通過研究確定。為了探討平板開槽加機(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)變式測力傳感器分別測量平板模型、平板開槽模型及平板開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，研究開槽及加機(jī)翼對減阻效果的影響。

風(fēng)洞為立式單回流閉路式風(fēng)洞，試驗(yàn)段橫截面為長方形，其寬為400 mm，高為265 mm，試驗(yàn)段全長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)變式測力傳感器分別測量不同風(fēng)速時(shí)上述3種情況下的總阻力。測力傳感器量程為0～5 N，實(shí)驗(yàn)布置見圖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?、平板開一凹槽、凹槽內(nèi)加翼模型，見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

平板長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，開在平板中部，長為150 mm，寬為390 mm，深為150 mm。采用的機(jī)翼類型為NACA2412，機(jī)翼弦長為68 mm。

為了研究機(jī)翼安裝位置和角度對減阻效果的影響，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)翼弦長中心點(diǎn)為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)不同的角度(見圖2)，就可以測量不同俯仰角時(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 平板和開槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同雷諾數(shù)的平板和開槽模型實(shí)測總阻力系數(shù)見圖3。雷諾數(shù)及阻力系數(shù)的定義分別為

式中:U——來流風(fēng)速;

L——平板長度，L=0.45 m;

ν——空氣粘性系數(shù);

F——實(shí)測總阻力;

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，并且其變化曲線趨勢較光滑，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。而開槽后的阻力系數(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_槽后與平板平行的槽底面與不開槽相比摩擦阻力會(huì)減小，但開槽后會(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，且該壓差阻力隨來流速度增大而加大，兩項(xiàng)相抵仍表現(xiàn)為阻力。所以開槽后總阻力要大于平板的總阻力。

圖3 平板和開槽模型總阻力系數(shù)

3.2 平板開槽置翼減阻效果分析

為了進(jìn)一步探討改善平板開槽后加機(jī)翼的減阻效果，對機(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)系見圖4。

圖4 機(jī)翼在不同位置時(shí)的總阻力

由圖4可見，對于機(jī)翼的這3種安裝位置，總體上開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，開槽置翼都比單純開槽情況明顯要好，說明置翼能抵消部分開槽壓差阻力。

因此實(shí)測結(jié)果表明，平板開槽后加入機(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?，尤其是下游壁面，壓力和來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(見圖7)，如果機(jī)翼的升力F在平行于來流方向的分量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 開槽置翼減阻示意

5 結(jié)論

1)通過在平面開槽加機(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)翼的大小和類型對減阻效率的影響，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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