刘艾明，熊鳌魁，巴建彬

(1.武汉理工大学 交通学院，武汉430060;2.中石化胜利油田分公司，山东 东营257237)

目前国内外对于减阻问题的研究主要集中在纵向沟槽的减阻机理及其效果上面，横向沟槽减阻技术的研究则起步较晚。

讨论横向沟槽是否减阻的文章较多，但目前尚无定论［1-12］。对于平板而言，如果在平板上某处开一凹槽可消除当地摩擦阻力，但由于形成压差阻力导致总阻力一般会增加。此时如果再在凹槽内适当的地方放置一机翼，利用机翼产生的升力以及对槽内压力分布产生的有利干扰，就可以抵消掉部分压差阻力，从而达到低于平板阻力的减阻效果。这就是凹槽置翼是一种新型的减阻技术［13］的基本思想。但机翼安装在什么位置，何种姿态下才能达到最佳的减阻效果，需通过研究确定。为了探讨平板开槽加机翼后的减阻效果，寻求改善减阻效果的方法和途径，在风洞中对凹槽置翼减阻技术进行实验研究。

1 试验方法

为了讨论凹槽置翼这一减阻技术的减阻效果，在单回流闭路式风洞中采用应变式测力传感器分别测量平板模型、平板开槽模型及平板开槽置翼模型在不同风速下的总阻力。然后比较各模型的总阻力，研究开槽及加机翼对减阻效果的影响。

风洞为立式单回流闭路式风洞，试验段横截面为长方形，其宽为400 mm，高为265 mm，试验段全长800 mm。

将上述3种模型置于风洞试验段，调节风速，用应变式测力传感器分别测量不同风速时上述3种情况下的总阻力。测力传感器量程为0～5 N，实验布置见图1。

图1 实验布置示意

2 试验模型

实验模型包括平板、平板开一凹槽、凹槽内加翼模型，见图2。

图2 实验模型示意

平板长450 mm，宽390 mm。除机翼外，所有模型均采用有机玻璃制作。凹槽为矩形，开在平板中部，长为150 mm，宽为390 mm，深为150 mm。采用的机翼类型为NACA2412，机翼弦长为68 mm。

为了研究机翼安装位置和角度对减阻效果的影响，机翼的安装位置和角度都是可以调节的，本试验实测了机翼安装在3个不同位置的阻力。在同一位置，以机翼弦长中心点为轴，顺时针旋转不同的角度(见图2)，就可以测量不同俯仰角时的总阻力。坐标原点位于凹槽中心处，不同位置机翼弦长中点处坐标分别为: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 实验结果

3.1 平板和开槽实验结果分析

不同雷诺数的平板和开槽模型实测总阻力系数见图3。雷诺数及阻力系数的定义分别为

式中:U——来流风速;

L——平板长度，L=0.45 m;

ν——空气粘性系数;

F——实测总阻力;

A——平板面积，A=0.45 m×0.39 m。

从图3可以看出，总体上随着雷诺数的增加，平板的阻力系数呈减小的趋势，并且其变化曲线趋势较光滑，说明实验结果的有效性。而开槽后的阻力系数随雷诺数的变化关系则比较复杂，较低雷诺数情况外平板开槽后其总阻力明显高于平板。并且雷诺数越大，增阻率就越大。这是因为平板开槽后与平板平行的槽底面与不开槽相比摩擦阻力会减小，但开槽后会形成两个和平板垂直的侧面，其上会有流体压力的作用从而形成压差阻力，且该压差阻力随来流速度增大而加大，两项相抵仍表现为阻力。所以开槽后总阻力要大于平板的总阻力。

图3 平板和开槽模型总阻力系数

3.2 平板开槽置翼减阻效果分析

为了进一步探讨改善平板开槽后加机翼的减阻效果，对机翼安装方式进行了系列实验，主要研究机翼在不同位置、不同机翼俯仰角度时对减阻效果的影响。

机翼安装在不同位置时，总阻力随雷诺数的变化关系见图4。

图4 机翼在不同位置时的总阻力

由图4可见，对于机翼的这3种安装位置，总体上开槽置翼后有一定的减阻效果，而且减阻效果与雷诺数有关，雷诺数越大，减阻效果越差。这可能是因为随着雷诺数的增加，凹槽的压差阻力在总阻力所占的比重增大，置翼抵消阻力的效果减小。当雷诺数小于6.56×105时，机翼安装在这3个位置时，不同角度都有减阻效果。雷诺数为3.10×105减阻率最大(其中减阻率的定义为平板总阻力和开槽加翼后的总阻力之差除以平板总阻力)，在13%～35%范围内;当雷诺数为4.17×105～6.56×105，减阻率则未超过15%。当雷诺数大于6.56×105时，除了位置3机翼角度为10°时可以减阻外，其余尚起不到减阻的作用，反而增加了阻力。

然而在绝大多数情况下，开槽置翼都比单纯开槽情况明显要好，说明置翼能抵消部分开槽压差阻力。

因此实测结果表明，平板开槽后加入机翼后的确可以起到减阻的效果，但其位置应随雷诺数不同而调整。

图5给出的是雷诺数为4.17×105时，在同一位置，减阻率随角度的变化关系。机翼在位置1、0°时减阻率高达30%，而40°时不到13%;机翼在位置3、10°时减阻率最大，达到22%，而30°时没有减阻效果;机翼在位置2时，不同角度的减阻率变化没有位置1和2变化幅度大，减阻率在8%～12%的范围内。这表明在同一雷诺数，同一位置时，机翼的角度对减阻的效果影响显著。

当机翼角度一定，在同一雷诺数时(Re=5.36×105)，机翼安装在不同位置的减阻率见图6。以10°为例，机翼位置1时减阻率较小，为3%;机翼位置3时的减阻率则高达14%。由图6可以看出机翼的位置对减阻效果影响明显。

图6 机翼位置与减阻率的关系(Re=5.36×105)

综上所述，机翼的安装位置和角度对减阻效果影响显著，在本文的实验范围内减阻率约在-5%～30%。

4 减阻机理探讨

平板开槽后，在槽内形成一个与槽的尺度相当的回流，由于上下游垂直壁面上的压力影响，尤其是下游壁面，压力和来流方向一致而且较大，表现为阻力，因此相较于平板而言，开槽后的总阻力一般会明显增加。但在凹槽内适当的位置放置一机翼(见图7)，如果机翼的升力F在平行于来流方向的分量F1足够大，就能够抵消掉一部分阻力。另外，由于机翼的影响，凹槽内的压力场也会改变，就有可能减小垂直壁面上由于压力而增加的阻力。这样，总阻力就可能减小，从而达到减阻的目的。

图7 开槽置翼减阻示意

5 结论

1)通过在平面开槽加机翼的方式的确可以达到减阻效果。

2)不同的机翼安装位置和角度对减阻效果影响明显，本文的实验范围表明减阻率在-5%～35%，因此在实用中以最佳几何方式安装机翼是有重要意义的。

上述两点基本特征与数值模拟结果一致。

3)减阻效果与雷诺数有关，在本文讨论的实验情况中，同等条件下，减阻率随雷诺数的增加而减小。并且并非在不同位置或角度安装机翼均能减阻，在本文的实验研究中，有些位置或角度时并不减阻，反而增阻，但增阻率较小。

凹槽置翼减阻是文中提出的一种新型的减阻方法。本文的工作仅是探索性地通过实验验证其原理，机翼位置、凹槽的形状、尺寸以及机翼的大小和类型对减阻效率的影响，特别是在高雷诺数条件下的效果，还有待于进一步研究。

［1］潘家正，湍流减阻新概念的实验探索［J］.空气动力学学报，1996，14(3):304-310.

［2］LI K W，LIAN Q X.Investigation on skin friction reduction of flat plate in turbulent boundary layer［C］∥Proc.Int.Conf.Advanced Experimental Mech.Tianjin，China，1988:16-18.

［3］梁在潮，刘士和，张德辉.湍流底层条带结构的研究［J］.水动力学研究与进展A，1994，9(6):627-641.

［4］方 斌，封雁国，黄社华，等.矩形波状壁面二维层流运动阻力特性的研究［J］.水电能源科学，2008，26(6):65-68.

［5］RYU D N，CHOI D H，PATEL V C.Analysis of turbulent flow in channels ughened by two-dimensional ribs and three-dimensional blocks，part 1 Resistance［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2007(28):1098-1111.

［6］YOON H S.Effect of wave amplitude on turbulent flow in a wavy channel by direct numerical simulation［J］.Ocean Engineering，2009(36):697-707.

［7］KUROSE R，IMASHIRO T，KOMORI S.The effects of swell on turbulence over wavy walls［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2008(29):774-782.

［8］宋保维，刘冠杉，胡海豹.不同宽高比的V型随行波表面减阻仿真研究［J］.计算机工程与应用，2009，45(32):222-224.

［9］胡海豹，宋保维，毛昭勇，等.随行波表面减阻降噪机理探索［J］.火力与指挥控制，2007，32(12):28-30.

［10］潘 光，郭晓娟，胡海豹.半圆形随行波表面流场数值仿真及减阻机理分析［J］.系统仿真学报，2006，18(11):3073-3074.

［11］郭晓娟，潘 光，段卓毅.不同形状随行波湍流边界层减阻特性研究［J］.火力与指挥控制，2008，33(8):12-14.

［12］黄桥高，潘 光，胡海豹，等.脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究［J］.实验力学，2012，25(2):130-135.

［13］孙小庚，熊鳌魁.二维凹槽内加机翼减阻效果的数值分析［J］.船海工程，2009，38(4):32-34.