湍流减阻贴膜的制作方法
【专利摘要】本发明揭示了一种减阻膜，减阻膜的表面形成有凹穴，凹穴间隔分布并形成阵列，凹穴的深度小于凹穴的直径，减阻膜覆盖于运动物体的表面，凹穴使得层流边界沿着运动物体的长度方向向后延展。本发明的减阻膜被覆盖于运动物体的表面，比如贴在汽车、轨道交通车辆、火车、低速飞行器的外壳上，利用由凹穴阵列形成的湍流引导结构来减小湍流，使层流边界沿着运动物体长度方向向后延展，其效果是减小位于物体后方的负压区，使得运动物体前方和后方的压力差减小，从而降低气动阻力。
【专利说明】湍流减阻贴膜
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气动力学零部件领域，尤其涉及一种能使得减弱湍流的减阻贴膜。 【背景技术】
[0002]随着世界经济的发展，全球燃料消费不断提升。同时，全球已经探明的燃料总量是 有限的。提高燃料的利用效率，降低能源浪费是世界各国所面临的问题。
[0003]物体(比如汽车、火车或者低速飞行器)在流体中(液体或气体，比如空气)运动 时会产生阻力，阻力会阻止物体的运动，因此阻力会降低物体的运动速度，或增加物体在运 动时或加速时的油耗。以小型客车为例，在以100km / h的速度行驶时，其用于气动阻力所 花费的能量占到燃油消耗量的50%左右。较大型的普通货车在100km / h的速度下用于气 动阻力所花费的能量占到的燃油消耗量则为32%左右。数据统计显示，当物体的运行速度 在80km / h?300km / h时，气动阻力引起的燃油消耗量在总燃油消耗量中占据十分显著 的比例，该比例通常会在30%以上。
[0004]就目前的地面交通体系来说，80km / h?300km / h的范围是地面交通工具(比 如汽车和火车)的主要运行时速范围。并且，部分低速飞行器的时速也在此范围内，因此， 如何降低气动阻力引起的燃油消耗是降低总体能耗的一个重要因素。
[0005]以汽车为例，通常，汽车设计者按照空气动力学和流体力学的原理，改变汽车的外 形，来减少汽车暴露在流体中的峰面，使得层流边界最大化，从而减少汽车运动过程中的阻 力。但是，由于空气动力学要求与日常对汽车的要求(比如空间、乘坐舒适性、容量等)存 在显著矛盾，将所有的车辆(例如货车、巴士、集装箱卡车等)的外形都设计成跑车或快艇 一样符合空气动力学原理显然是不可能的。因此通过改变汽车外形降低气动阻力的方法 存在一定局限性，仅适用于跑车和赛车等单纯追求速度的领域。对其他的车辆显然其他因 素比单纯的速度更加重要。并且，对于已经存在的车辆，要改变他们的外形既不经济，也不 可行。于是就需要通过其它技术手段对汽车的阻力系数进行改进，从而提高汽车的燃油经 济性，减少能源消耗。
【发明内容】
[0006]本发明旨在提出一种减阻膜，减阻膜覆盖于物体的表面，减阻膜上具有湍流引导 结构，能够减弱湍流，通过减小后方负压区的方式来减小阻力。
[0007]根据本发明的一实施例，提出一种减阻膜，减阻膜的表面形成有凹穴，凹穴间隔分 布并形成阵列，凹穴的深度小于凹穴的直径，所述减阻膜覆盖于运动物体的表面，凹穴使得 层流边界沿着运动物体的长度方向向后延展。
[0008]在一个实施例中，凹穴形成三角形阵列或四边形阵列，三角形阵列中，每一行的凹 穴的中心互相对齐，每一列的凹穴的中心交错；四边形阵列中，每一行和每一列的凹穴的中 心均互相对齐。
[0009]在一个实施例中，凹穴为球形凹穴，直径为D=I?150mm，凹穴的冠高H=(0.1?0.5)D，相邻凹穴的中心距L= (1.1?7.5)D。
[0010]在一个实施例中，凹穴为六边形凹穴，内接圆直径为D=]
H=(0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60° ,相邻凹穴的中心距L=(l.1?
[0011]在一个实施例中，凹穴为八边形凹穴，内接圆直径为D=]
H=(0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60° ,相邻凹穴的中心距L=(l.1?
[0012]在一个实施例中，凹穴为圆锥形凹穴，大端直径为D=I H=(0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60° ,相邻凹穴的中心距L= (1.1?
[0013]本发明的减阻膜被覆盖于运动物体的表面，比如贴在汽车、轨道交通车辆、火车、 低速飞行器的外壳上，利用由凹穴阵列形成的湍流引导结构来减小湍流，使层流边界沿着 运动物体长度方向向后延展，其效果是减小位于物体后方的负压区，使得运动物体前方和 后方的压力差减小，从而降低气动阻力。
?150mm,凹穴的深 7.5)D。
?150mm,凹穴的深 7.5)D。
?150mm,凹穴的深 7.5)D。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细具体的说明。
[0015]图la、lb和Ic揭示了根据本发明的第一实施例的减阻膜的结构，其中凹穴为球形 凹穴。图1a是该减阻膜的截面结构，图1b和Ic是该减阻膜的俯视结构，图1b中凹穴形成 三角形阵列，图1c中凹穴形成四边形阵列。
[0016]图2a、2b和2c揭示了根据本发明的第二实施例的减阻膜的结构，其中凹穴为六边 形凹穴。图2a是该减阻膜的截面结构，图2b和2c是该减阻膜的俯视结构，图2b中凹穴形 成三角形阵列，图2c中凹穴形成四边形阵列。
[0017]图3a、3b和3c揭示了根据本发明的第三实施例的减阻膜的结构，其中凹穴为八边 形凹穴。图3a是该减阻膜的截面结构，图3b和3c是该减阻膜的俯视结构，图3b中凹穴形 成三角形阵列，图3c中凹穴形成四边形阵列。
[0018]图4a、4b和4c揭示了根据本发明的第四实施例的减阻膜的结构，其中凹穴为圆锥 形凹穴。图4a是该减阻膜的截面结构，图4b和4c是该减阻膜的俯视结构，图4b中凹穴形 成三角形阵列，图4c中凹穴形成四边形阵列。
[0019]图5a和图5b揭示了没有使用本发明的减阻膜的运动物体在运动过程中的流场， 其中图5a是侧视图，图5b是俯视图。
[0020]图6a和图6b揭示了使用了本发明的减阻膜的运动物体在运动过程中的流场，其 中图6a是侧视图，图6b是俯视图。
【具体实施方式】
[0021 ] 对于在流体中运动的物体来说，其流体阻力主要是由于在物体运动方向前后的压 力差所造成。以流体为空气为例，当汽车、轨道交通车辆、火车、低速飞行器等等在空气中 运动时，在物体的周围会形成流场，流场中会形成层流边界，层流边界以外的流场区是高 压，层流边界以内的流场区是低压(负压)，高压区和低压区之间的压力差就形成了对于运 动物体的气动阻力。对于运动的物体来说，存在于运动方向前后的高压区和低压区的面积 越大，所面对的气动阻力就越大，如果能够减小高压区或者低压区的面积，使得前后的压力 差减小，就能够有效减少气动阻力。[0022]由于层流边界是高压区和低压区的分界，因此使得层流边界尽可能贴近物体的外 轮廓，则能够使得分离点向后方移动，其效果是使得位于运动物体运动方向后方的负压区 减小，以减小前后的压力差。
[0023]对于在空气中运动的汽车、轨道交通车辆、火车、低速飞行器来说，形成于尾部的 湍流尾流是引起负压区的主要原因，如果能够减弱湍流效应，就能够显著减小负压区的面 积，降低气动阻力。本发明提出一种减阻膜，减阻膜的表面形成湍流引导结构，湍流引导结 构的实现方式是凹穴阵列，即以一定的规律布置凹穴。这些凹穴阵列能够减弱湍流的产生， 使得层流边界沿着运动物体的长度方向向后延展，减小位于尾部的负压区。
[0024]湍流引导结构的实现方式为凹穴阵列，即以间隔分布布置凹穴形成阵列。通常，凹 穴的深度小于凹穴的直径。下面介绍在具体实施例中凹穴阵列的实现方式。在此需要说 明:
[0025]I)减阻膜可以用于汽车、轨道交通车辆、火车、低速飞行器等，为了描述方便，以下 以汽车为例进行说明，但以下所称的“汽车”应当被理解为可以由轨道交通车辆、火车、低速 飞行器等其他在空气中运动的低速运动物体替代。
[0026]2)对于减阻膜来说，湍流引导结构位于表面，即与空气接触的一面，减阻膜可以以 一种合适的方式被覆盖于运动物体的表面。比如，可以使得底面具有粘性以粘在汽车的表 面，或者是底面采用具有静电吸附作用的材质，使得减阻膜被帖附于车辆的表面(即常用 的“贴膜”的方式)，或者采用其他的方式。无论减阻膜以何种方式被覆盖于汽车的表面，主 要其具有本发明所揭示的表面结构，均应被视为是在本发明的范围内，因为湍流减阻效应 由表面结构所提供，而与减阻膜如何覆盖于汽车表面无关。
[0027]3)在以下所示的实施例中，减阻膜被示例为单层结构，但本发明的保护范围不被 膜的层叠结构所限制，无论是单层结构还是多层复合结构的膜，只要其表面具有本发明所 示的湍流引导结构，都应当被视为在本发明的保护范围内，因为对于湍流减阻效应来说，膜 的层叠结构并不影响其工作原理，起到减弱湍流作用的时凹穴阵列而不是膜自身。
[0028]参考图la、lb和Ic所示，揭示了根据本发明的第一实施例的减阻膜的结构，其中 凹穴为球形凹穴。图1a是该减阻膜的截面结构，图1b和Ic是该减阻膜的俯视结构，图1b 中凹穴形成三角形阵列，图1c中凹穴形成四边形阵列。其中图1a是图1b的A-A截面图。 在第一实施例中，凹穴为球形凹穴，直径为D=I?150mm，凹穴的冠高H= (0.1?0.5) D，相邻 凹穴的中心距L=(l.1?7.5)D。两种常用的凹穴的阵列形式为三角形阵列和四边形阵列。 在三角形阵列中，如图1b所示，每一行的凹穴的中心互相对齐，每一列的凹穴的中心交错。 三个凹穴的中心(同一行的两个凹穴和相邻一行的一个凹穴)构成等边三角形。在四边形 阵列中，如图1c所示，每一行和每一列的凹穴的中心均互相对齐。四个凹穴的中心构成正 方形。在第一实施例中，图示的结构中减阻膜的厚度大于凹穴的深度，即凹穴不会贯穿减阻 膜，但这不是必须的。如果减阻膜的厚度较小，使得凹穴贯穿(即凹穴自身的截面形状可能 不完整)膜，应当也是可行的。
[0029]参考图2a、2b和2c所示，揭示了根据本发明的第二实施例的减阻膜的结构，其中 凹穴为六边形凹穴。图2a是该减阻膜的截面结构，图2b和2c是该减阻膜的俯视结构，图 2b中凹穴形成三角形阵列，图2c中凹穴形成四边形阵列。其中图2a是图2b的B-B截面 图。在第二实施例中，凹穴为六边形凹穴，内接圆直径为D=I?150mm，凹穴的深H= (0.1?0.7)D，倾角球a=0°?60。，相邻凹穴的中心距L= (1.1?7.5) D。凹穴的阵列形式同样为 三角形阵列和四边形阵列，与第一实施例类似，此处不再赘述。同样的，虽然第二实施例中 所示的结构中减阻膜的厚度大于凹穴的深度，但凹穴也可以贯穿减阻膜。
[0030]参考图3a、3b和3c所示，揭示了根据本发明的第三实施例的减阻膜的结构，其中 凹穴为八边形凹穴。图3a是该减阻膜的截面结构，图3b和3c是该减阻膜的俯视结构，图 3b中凹穴形成三角形阵列，图3c中凹穴形成四边形阵列。其中图3a是图3b的C-C截面 图。在第二实施例中，凹穴为八边形凹穴，内接圆直径为D=I?150mm，凹穴的深H= (0.1?
0.7)D，倾角球a=0°?60。，相邻凹穴的中心距L= (1.1?7.5) D。凹穴的阵列形式同样为 三角形阵列和四边形阵列，与第一实施例类似，此处不再赘述。同样的，虽然第三实施例中 所示的结构中减阻膜的厚度大于凹穴的深度，但凹穴也可以贯穿减阻膜。
[0031]参考图4a、4b和4c所示，揭示了根据本发明的第四实施例的减阻膜的结构，其中 凹穴为圆锥形凹穴。图4a是该减阻膜的截面结构，图4b和4c是该减阻膜的俯视结构，图4b 中凹穴形成三角形阵列，图4c中凹穴形成四边形阵列。其中图4a是图4b的D-D截面图。 在第四实施例中，凹穴为圆锥形凹穴，大端直径为D=I?150mm，凹穴的深H= (0.1?0.7)D， 倾角球a = 0°?60°，相邻凹穴的中心距L=(l.1?7.5)D。凹穴的阵列形式同样为三角 形阵列和四边形阵列，与第一实施例类似，此处不再赘述。同样的，虽然第三实施例中所示 的结构中减阻膜的厚度大于凹穴的深度，但凹穴也可以贯穿减阻膜。
[0032]图5a、5b、6a和6b揭示了本发明的减阻膜的使用效果。首先在此介绍按照空气动
力学公式计算的气动阻力:
[0033]
气动阻力
[0034]其中p是空气密度；CD是气动阻力系数；A是运动物体正面投影面积；Va是相对运 动速度。根据公式，在给定流体密度、相对速度和正面投影面积的情况下，只能通过减少阻 力系数来减少阻力。
[0035]典型车辆在运动中的雷诺系数(例如，Re〈l X IO4)，粘性力主导流体的运动，流体 与车辆表面的摩擦阻力不显著。因此在雷诺常数较小的情况下，降低气动阻力系数时，不需 要考虑流体与表面摩擦的影响。
[0036]图5a和图5b揭示了一辆未使用减阻膜的汽车，当车辆在流体中(例如空气)向前 运动，就会在车辆周围形成流场。图5a揭示了流场的侧视图，图5b揭示了流场的俯视图。 通常，层流边界只有少量粘附于在车辆的车体上。而且，层流边界非常容易在车体的轮廓上 断开。如图5a和图5b中的层流边界在车体挡风玻璃的上缘和车鼻两翼(车体轮廓最厚 的部分开始的地方)断开形成分离点。在通常情况下，分离点形成于车辆轮廓最厚的地方。 在这种情况下，当雷诺系数达到2?3X IO5时，就会产生湍流。在分离点之后的下降气流， 会在流场中形成一个巨大的湍流尾流。因为在层流边界的分离点形成的是上升气流，尾流 中的压力会相对较低，形成负压区。而在车辆前后形成高低压力差，这种压力差的方向与车 辆的运动方向相反，会阻碍车辆运动。
[0037]图6a和图6b揭示了使用了本发明的减阻膜的运动物体在运动过程中的流场，其 中图6a是侧视图，图6b是俯视图。总体造型上，图6a和图6b所示的车辆与图5a和5b中所示的车辆相同，但图6a和图6b所示的车辆安装了减阻膜。图6a和6b中的流场与图5a 和5b中的流场的差异在于，图5a和5b中的层流边界在挡风玻璃上缘和车鼻两翼就断裂 了，而图6a和图6b中层流边界沿着车辆形成，层流边界粘附在车体上，使得层流的分离点 相较之前，向后延伸了许多，因而在图6a和6b中所形成的层流尾流相对图5a和5b中减小 很多，这个更小的尾流能够减少负压区的面积，使得车辆的前后压力差减小，显著降低车辆 的阻力系数。
[0038]减阻膜表面的凹穴就利用湍流减阻效应的湍流导引结构。湍流导引结构的功能是 在层流边界引导湍流。湍流导引结构创造了一个高能湍流层流边界，相对于片状层流边界。 湍流层流边界能够更有效减少流场在车体上的压力梯度变化，使得层流边界的分离点会沿 着车体最厚的位置向后延伸。减阻膜覆盖于车辆的不透明表面。减阻膜覆盖的面积越大， 减阻效果越明显。根据试验，在车速100km / h的条件下，使用减阻膜，百公里油耗可以降 低10%左右。
[0039]本发明的减阻膜被覆盖于运动物体的表面，比如贴在汽车、轨道交通车辆、火车、 低速飞行器的外壳上，利用由凹穴阵列形成的湍流引导结构来减小湍流，使层流边界沿着 运动物体长度方向向后延展，其效果是减小位于物体后方的负压区，使得运动物体前方和 后方的压力差减小，从而降低气动阻力。
【权利要求】
1.一种减阻膜，其特征在于，减阻膜的表面形成有凹穴，凹穴间隔分布并形成阵列，凹 穴的深度小于凹穴的直径，所述减阻膜覆盖于运动物体的表面，所述凹穴使得层流边界沿 着运动物体的长度方向向后延展。
2.如权利要求1所述的减阻膜，其特征在于，所述凹穴形成三角形阵列或四边形阵列，三角形阵列中，每一行的凹穴的中心互相对齐，每一列的凹穴的中心交错；四边形阵列中，每一行和每一列的凹穴的中心均互相对齐。
3.如权利要求2所述的减阻膜，其特征在于，所述凹穴为球形凹穴，直径为D=I? 150mm，凹穴的冠高H= (0.1?0.5) D，相邻凹穴的中心距L= (1.1?7.5)D。
4.如权利要求2所述的减阻膜，其特征在于，所述凹穴为六边形凹穴，内接圆直径 为D=I?150mm,凹穴的深H= (0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60 ° ,相邻凹穴的中心距 L=(l.1 ?1.5)D。
5.如权利要求2所述的减阻膜，其特征在于，所述凹穴为八边形凹穴，内接圆直径 为D=I?150mm,凹穴的深H= (0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60 ° ,相邻凹穴的中心距 L=(l.1 ?1.5)D。
6.如权利要求2所述的减阻膜，其特征在于，所述凹穴为圆锥形凹穴，大端直径 为D=I?150mm,凹穴的深H=(0.1?0.7)D,倾角球a =0°?60 ° ,相邻凹穴的中心距 L=(l.1 ?7.5)D。
【文档编号】B62D37/02GK103496405SQ201310366910
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】胡淳佶, 解国强, 韩飞 申请人:胡淳佶, 解国强, 韩飞