具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜

摘要

本发明公开了一种具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜，它由基面和均匀分布在基面上的非光滑单元组成；所述非光滑单元为凸包、凹坑、L形沟槽或V形沟槽；在汽车、客车或高速列车表面贴上本发明具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜能有效降低车身空气阻力系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于降低产品气动阻力的薄膜，尤其涉及一种可应用于汽车、客车以及无轨/有轨车辆的车身气动减阻的具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜。

背景技术

汽车消费快速增长导致能源消耗加速增加，能源问题变得越来越严重，有关资料显示预计2010年我国机动车辆燃料消耗将占全国总油耗的43％左右，汽车将成为石油消耗增长的主要因素。当汽车车速超过60km/h时用于克服空气阻力的功率和燃料消耗占行驶总功率和燃料消耗的30％-40％，能源与减阻息息相关，减阻即意味着节能。降低空气阻力意味着整车燃料经济性与动力性均得到有效改善，是降低成本，增加燃料利用率的重要途径。

车身空气阻力系数与车辆空气阻力关系非常密切，就目前车身设计与开发现状来看，通常采用流线型车身设计、加装导流装置、加装喷射装置、降低车身迎风面积等方法来达到减阻的目的。通过流线型车身设计达到减阻是人们较早采用的方法，可以很大程度上提高整车的空气动力学特性，这一指导原则一直沿用至今。能否在此基础上进一步降低车身空气阻力，科研人员提出加装导流装置通过用光滑底板、前阻风板和轮轴以及凹窝等局部细化，在前端偏下部位预置前阻风板、在尾部加装绕流条来达到改善汽车气动性能，减少气动阻力；加装喷射装置通过在车辆尾部使用均匀的气流喷射装置、在尾涡中心位置装一个气体喷射装置来达到减阻的目的。但由于这两方面的研究已经比较成熟，降低车身空气阻力的空间较小，近年来国际国内并没有太多车身气动减阻新技术的报道，使得车身空气减阻发展进入一个瓶颈时期。

要突破瓶颈需要对传统的车身设计观念加以改变，在车身设计中引入仿生非光滑表面，通过仿生学原理，利用生物体表面非光滑表面进行减阻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜，它由基面和均匀分布在基面上的非光滑单元组成；所述非光滑单元为凸包、凹坑、L形沟槽或V形沟槽，非光滑单元最大高度或深度可由以下公式计算得到：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(l\right)=\mathrm{ul}/v\\ \delta \left(l\right)=0.035l/\mathrm{Re}{\left(l\right)}^{1/7}\end{array}\right);$

其中：u是气体的时均速度，v是空气粘度系数，l是车身局部表面长度，Re(l)表示长度为l的车身局部表面的雷诺数，δ(l)表示凸包的高度和凹坑、L形沟槽或V形沟槽的深度。

进一步地，所述非光滑单元为凸包时，所述凸包底圆直径d＝0.2mm-5mm，高度h＝0.1mm-3mm，间距s＝0.8mm-15mm。

进一步地，所述非光滑单元为凹坑时，所述凹坑底圆直径d＝0.2mm-5mm，深度h＝0.1mm-3mm，间距s＝0.8mm-15mm。

进一步地，所述非光滑单元为L形沟槽时，所述L形沟槽的沟槽肋板宽度为s＝0.2mm-2mm，高度为h＝0.2mm-2mm，沟槽肋板间距为d＝0.6mm-15mm。

进一步地，所述非光滑单元为V形沟槽时，所述V形沟槽相邻两沟槽肋板之间角度A的范围为15°～165°，也可用圆弧过渡，其沟槽肋板之间的最大宽度s为0.2mm-2mm，高度h＝0.2mm-2mm，沟槽肋板间距为s＝0mm-10mm。

本发明的有益效果是：在汽车、客车或高速列车表面贴上本发明具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜能有效降低车身空气阻力系数。

附图说明

图1是凹坑型单元体结构示意图；

图2是凸包型单元体结构示意图；

图3是L形沟槽单元体结构示意图；

图4是第一种V形沟槽单元体结构示意图；

图5是第二种V形沟槽单元体结构示意图；

图6是楔形沟槽单元体结构示意图；

图7是凹坑形减阻薄膜结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；

图8是L沟槽形减阻薄膜结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明具有气动减阻效应的仿生非光滑表面贴膜由基面与非光滑单元组成，非光滑单元均匀分布在基面上，非光滑单元为凸包、凹坑、L形沟槽、V形沟槽或楔形沟槽，非光滑单元最大高度或深度可由以下公式计算：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(l\right)=\mathrm{ul}/v\\ \delta \left(l\right)=0.035l/\mathrm{Re}{\left(l\right)}^{1/7}\end{array}\right);$

其中：u是气体的时均速度；v是空气粘度系数；l是车身局部表面长度，一般l＝0.5-18.0m；Re(l)表示长度为l的车身局部表面的雷诺数；δ(l)表示车身减阻膜的凸包高度、沟槽型非光滑单元体高度或凹坑深度，一般δ(l)＝0.1mm-2mm。

凹坑型单元体在薄膜基体表面均匀分布。如图1所示，单元体底圆直径d＝0.2mm-5mm，单元体深度h＝0.1mm-3mm，单元体间距s＝0.8mm-15mm。

凸包型单元体在薄膜基体表面均匀分布。如图2所示，单元体底圆直径d＝0.2mm-5mm，单元体高度h＝0.1mm-3mm，单元体间距s＝0.8mm-15mm。

L形沟槽在薄膜基体表面均匀分布。如图3所示，沟槽肋板宽度为s＝0.2mm-2mm，高度为h＝0.2mm-2mm，沟槽肋板间距为d＝0.6mm-15mm。

V形沟槽在薄膜基体表面均匀分布。如图4所示，相邻两沟槽肋板之间角度A的范围为15°～165°，也可用圆弧过渡，其沟槽肋板之间的最大宽度s为0.2mm-2mm，高度h＝0.2mm-2mm，沟槽肋板间距为s＝0mm-10mm；当沟槽肋板间距s＝0mm时，V形沟槽单元体结构如图5所示；

楔形沟槽在薄膜基体表面均匀分布。如图5所示的，肋板之间角度A的范围为15°～165°，也可用圆弧过渡，肋板间距为d＝0.2mm-3mm，宽度0.2mm-2mm，高度h＝0.2mm-2mm，当s＝0mm时楔形沟槽单元体结构如图5所示。

所设计的车身减阻膜可通过以下几种方式进行制备：由计算机设计出不同车身表面的非光滑单元体结构形态与尺寸，通过计算流体力学对其减阻效果进行研究获取最优减阻非光滑单元体形态与尺寸，通过吹塑、压制成型或采用真空蒸镀、旋涂等方式使用塑料、纤维等材料加工出具有一定几何形状的凹坑、凸包或沟槽形等非光滑形态的车身减阻膜。

在前述分析中，所设计的车身减阻膜可以显著降低车身空气阻力，在对光滑车身与加入仿生非光滑表面的车身进行减阻试验对比分析，可减少车身空气阻力系数3.1％-8.2％，通过微观分析发现通过仿生非光滑表面的引入通过改变车身前后的压差阻力与摩擦阻力以实现减阻的目的。

结合实例对所设计的基于仿生非光滑单元体结构的车身减阻膜做进一步详细说明。

实施例1

参照图7，一种主要覆盖与车身顶盖的非光滑减阻薄膜，薄膜的表面均匀分布着凹坑形非光滑单元体u，单元体直径d为1.5mm，单元体深度h为0.75mm，单元体u的横向间距s为9.0mm，纵向间距l为9.0mm，将其贴在面积为1.2m²汽车车身顶盖上汽车风阻系数可降低5.6％左右。

实施例2

参照图8，一种主要覆盖与车身顶盖的非光滑减阻薄膜，薄膜的表面均匀分布着沟槽形非光滑单元体u，其条纹宽s为1.0mm，条纹高h为1.0mm，条纹单元体间距d为12mm，将其贴在在面积为1.2m²汽车车身顶盖上汽车风阻系数可降低8.20％左右。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。