CN110386156A - 气膜减阻系统、方法及高速列车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气膜减阻系统、方法及高速列车，该气膜减阻系统包括气膜部和供气单元；气膜部与供气单元气路相连；气膜部包括气孔件，气孔件中设有气膜孔，气膜孔倾斜于表面设置。通过倾斜设置气膜孔从而在承阻表面形成较大面积的气膜，隔开造成较大阻力的外部远场介质，避免气‑固耦合粘阻的形成，并形成气‑气或气‑液耦合为主的粘阻，从而降低高速运动物体所承受的介质阻力。

Description

气膜减阻系统、方法及高速列车

技术领域

本发明涉及一种气膜减阻系统、方法及高速列车，属于减阻工程领域。

背景技术

在非真空环境中运动的各类乘载装置，其周围介质均会对其的运动产生阻力，外界阻力随乘载装置运动速度的提高而增大，从而降低乘载装置的运行速度。为了获得并维持较高的运行速度，需要消耗大量的燃料以产生用于克服该阻力的动力。随着燃料消耗量的增大，运营成本也直接增加。

在各类乘载装置运行过程中，乘载装置运行速度越高，所受到的介质阻力越大，甚至可占乘载装置所受阻力比例的90％以上。以正常运行的列车为例，空气阻力和列车运行速度的平方成近似正比关系，速度从200公里/小时提高到600公里/小时后，空气阻力将增至9倍。当列车以每小时200公里行驶时，空气阻力占总阻力的70％左右，当和谐号高铁以时速486公里试运行时，气动阻力达到了总阻力的92％，到550公里以上，则95％以上都是气动阻力。

现有的减阻手段主要集中于对乘载装置表面进行改进。以高速列车为例，当前高速列车气动减阻的主流手段是使用基于光滑表面的气动外形优化。中国、日本、欧洲高铁都已经进行了大量的气动外形优化设计，但这类方法已经面临减阻瓶颈，原因是：高速列车高速穿越稠密的地面空气，车体表面与高速气流之间形成的速度梯度决定了空气粘阻，流线型优化已经逼近最优，进一步降低气动粘阻的空间很小。

另一方面还可通过在乘载装置表面设置微凹或微凸肋结构，以实现减阻。即光滑表面上均布大量的微凹或微凸肋结构。以高速列车为例，通过在车身表面设置微凹或微凸肋结构，以在车身表面形成局部的微涡流，改变流场梯度，从而改变空气粘阻。该类方法可望局部降低约8％的气动阻力，但微织构的减阻效果与外界风速有关，对灰尘、飞虫等比较敏感，并且需要大面积施展。美国提出了利用真空管道显著减低高速列车气动阻力的方法，虽然理论上可行并能够突破当前的速度极限，但工程的可靠性、建造和维护成本、乘员舒适度方面面临考验。

业内对主动粘阻控制(active drag control)有大量理论研究，对喷射减阻结论不一，有时阻力反而会增加。如美国专利US5803410公开了一种用于降低表面阻力的微喷射减阻技术(MBT)，通过垂直于物体表层设置密集微孔，并从这些微孔中喷射出气流，从而隔开远场气流，具有显著的气动减阻效果。该结构在1.9马赫风洞试验中，减阻效果可达90％左右。

可是该减阻方法的减阻效果只有在足够密集的微孔强力喷射下才有显著效果。需要在物体表面加工大量直径一般在0.4毫米以下的微孔，加工量巨大，影响强度。如果降低微孔密集度，如文献所示，降阻效果一般仅在5％以内。因此，需要找到既能够大幅度减阻，又能够满足强度等工程要求的减阻方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种气膜减阻系统，该系统可以有效降低各类乘载装置在各类介质环境中所受阻力。

包括气膜部和供气单元；气膜部与供气单元气路相连；气膜部包括气孔件，气孔件中设有气膜孔，气膜孔倾斜于气孔件表面设置。

可选的，气膜减阻系统还包括型腔，型腔由气孔件和型腔内壁围成，型腔与供气单元管路连通。

可选的，型腔内间隔设置多个隔断部，型腔被隔断部分割为多个单格；各单格分别与供气单元管路连接。

可选的，供气单元气体压力高于乘载装置行驶速度下的驻点压力。

可选的，供气单元包括气体压缩单元和气体分配单元，气体压缩单元和气体分配单元管路连通，气体分配单元与气膜部管路相通。

可选的，气体压缩单元包括气体压缩机、输气管和储气罐；气体压缩机与储气罐管路连通，储气罐通过输气管与气体分配单元相通；储气罐上设置安全阀和压力阀；输气管上设置阀门和流量计。

可选的，还包括用于控制供气单元产生气体压力的控制单元，控制单元与供气单元控制连接。

可选的，控制单元还包括用于储存乘载装置各行驶速度分别对应的理论气压的储存元件，储存元件与控制单元连接。

可选的，还包括检测单元，用于测定理论环境下，乘载装置各行驶速度对应的理论气压，检测单元与储存元件连接。

可选的，气膜孔在气孔件表层的开口包括扩散端和收窄端，开口的宽度从扩散端到收窄端逐渐减小；

收窄端到扩散端的方向，与气膜孔在气孔件表面的投影到开口方向一致。

可选的，扩散端具有延伸部，延伸部位于扩散端与气膜孔在气孔件表面的投影的垂直方向的两侧，延伸部将开口方向向与收窄端相反的方向延伸。

可选的，气膜孔在气孔件表面的开口，沿气膜孔在气孔件表面的投影方向交错分布。

可选的，气膜孔深度大于等于5毫米和/或气膜孔深度大于等于气膜孔中至少一个位置的直径的10倍。

可选的，气膜孔由彼此相通的第一通道和第二通道构成。

可选的，第一通道的至少一个位置的直径小于或等于第二通道的至少一个位置的直径。

可选的，第一通道的直径小于或等于第二通道的直径。

可选的，第一通道的至少一个位置的直径在0.25毫米至0.75毫米范围内；第二通道的直径大于或等于1毫米；在第一通道和第二通道相贯通的方向上，气孔件的厚度大于或等于10毫米。

可选的，第一通道的至少一个位置的直径在0.001毫米至0.25毫米的范围内；第二通道的直径大于或等于1毫米；在第一通道和第二通道贯通方向上，气孔件的厚度大于或等于第一通道的至少一个位置的直径的20倍。

可选的，第一通道的延伸方向与气孔件表面形成25°～45°的锐角。

可选的，第一通道的延伸方向与气孔件表面形成30°的锐角。

可选的，气孔件包括表层和下层；第一通道贯通表层；

第二通道贯通下层；表层和下层相连，表层的第一通道和下层的第二通道相通。

可选的，第二通道垂直于下层的表面。

可选的，表层或气孔件为三维曲面。

本发明的又一方面提供了一种气膜减阻方法，包括以下步骤：

1)在乘载装置的待减阻区设置如上述的气膜减阻系统；

2)控制单元根据乘载装置所处行驶速度，按行驶速度对应的理论气压控制供气单元供气，之后在气孔件表面形成气膜。

优选地，理论气压的计算包括以下步骤：

建立各行驶速度下乘载装置的仿真模型，测定各行驶速度下主承阻面所受阻力；

根据各阻力，计算各阻力对应的各理论气压。

可选地，乘载装置的行驶速度由控制单元获取。

本发明的有一方面还提供了一种高速列车，包括设置于高速列车的承压面上的如上述的气膜减阻系统。

本发明能产生的有益效果包括：

1)本发明所提供的气膜减阻系统，通过在承受阻力的物体表面开设能倾斜于该表面并向外喷射气体的气膜孔，在该表面形成具有减阻作用的气膜，隔开造成较大阻力的外部远场介质，避免气-固耦合粘阻的形成，并形成气-气或气-液耦合为主的粘阻，从而降低高速运动物体所承受的介质阻力。

2)本发明所提供的气膜减阻系统，通过使用具有异型结构的气膜孔，能避免使用强力喷射，而是只需要有内外压力差，使少量气流喷出，就可以形成包覆气膜孔附近并影响至少5倍下游地区的气膜，形成持久显著的减阻效果。

3)本发明所提供的气膜减阻系统，形成气膜的气体压力可调，进而可以调整气膜速度，以便在乘载装置的各运行速度阶段都能够形成最优的流场，从而进一步降低乘载装置的运行能耗。

4)本发明所提供的气膜减阻系统，可以方便的施加气膜，产生减阻效果，具有良好的气动性能。

5)本发明所提供的气膜减阻系统用于乘载装置的主动减阻方法，利用仿真实验所得乘载装置的理论气压，根据乘载装置运行速度实时调整形成气膜所喷射气体压力，提高了气膜的针对性，降低了成膜所需能量，节约了能源。

6)本发明所提供的气膜减阻列车车头，其主承阻面形成气膜，从而形成气-气耦合实现空气与气膜摩擦，避免气体与车头表面直接摩擦，达到显著降低粘阻的目的。

附图说明

图1为本申请提供的气膜减阻系统示意图；

图2为本发明提供的高速列车车头示意图为；

图3为本发明提供优选实施例中的气孔件示意图；图(a)为气孔件沿气膜孔的延伸方向的视图；图(b)为沿图(a)的A-A线剖切后的剖面示意图；

图4为本发明提供的优选实施例中的气孔件表面为三维曲面的应用示意图；

图5本发明提供的高速列车实施例中的气膜减阻系统使用状态示意图；

图6为本发明优选实施例的气膜孔单孔气动仿真分析模型示意图；

图7本发明优选实施例的气膜孔气动仿真示意图；

图8本发明优选实施例的仿真实验中600公里/小时下有气膜和无气膜表面的气体速度对比折线示意图；

图9本发明优选实施例的仿真实验中沿气膜孔中心线气动粘阻与无气膜情况下的气动粘阻的比值折线示意图。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本文中，乘载装置是指现有各类具有运输货物或人等大体积物料功能的工具，包括但不限于汽车、高速列车、飞机、鱼雷等装置。介质是指乘载装置运行的环境物质，包括但不限于各类液体、各类气体或各类固体环境。承阻面是指乘载装置在运行中主要承受来自环境介质阻力的面。主承阻面是指乘载装置承受来自环境介质阻力最大的面。

参见图1，本发明提供了一种气膜减阻系统，包括气膜部和供气单元；

气膜部与供气单元气路相连；

气膜部包括气孔件200，气孔件200中设有气膜孔210，气膜孔210倾斜于气孔件表面2设置。

气膜部为乘载装置的主要承阻部，例如高铁的鼻锥区。

在承阻表面设置气孔件200，供气单元所供气体从气膜孔210喷出，在气孔件表面2形成气膜110。由于气膜孔210的喷射角与气孔件表面2形成锐角，从而提高了喷射气体与气孔件表面2的接触面积，以形成较大面积的气膜110。所形成的气膜110能隔开承阻面上的远场气流100，从而达到减阻的效果。气孔件200可以为承受介质阻力的主要部位，尤其用于承受空气阻力时，该系统的减阻效果更好。显然也可以用于例如液体等其他介质的运动环境中。

参见图2，优选的，气膜减阻系统还包括用于容纳气体的型腔，型腔由气孔件200和型腔内壁222围成，型腔与供求单元管路连通。通过设置型腔可以在气孔板与输气管路之间形成气体容纳区，从而便于气体均匀的喷出，并减少输气管的数量。显然的也可以不设置型腔同样可以实现从气孔件200喷气的作用。

优选的，型腔内间隔设置多个隔断部223，型腔被隔断部223分割为多个单格1；各单格1分别与供气单元管路连接。单格1之间彼此完全气体隔绝。隔断部223仅需能将型腔内部隔断即可，可以为条块结构。气体通入单格1后，能提高型腔内气体的压力。还能在气孔件表面2形成更加均匀的气体压力分布和气体包附，提高气孔件表面2气膜110的均匀性。

优选的，供气单元产生的气体压力适当高于乘载装置行驶速度下驻点压力。此处的适当高于为以降低乘载装置表面气动阻力为目的，根据具体情况设定。具体的控制可以通过对空气进行压缩或稀释来实现。输出该压力下的气体，能保证较好的气膜110减阻效果。

优选的，供求单元包括气体压缩单元400和气体分配单元300，气体压缩单元400和气体分配单元300管路连通，气体分配单元300与气膜部管路连通。通过设置这两个单元，能有效分配气体并实施对气体喷射速度的控制。显然的气体分配单元300既可以只与气孔件200相通，也可以只与型腔相通，还可以同时与型腔和气孔件200相通。具体的气体分配单元300可以为现有各类能实现气体分配和控制的部件，例如多个管路及其上设置的阀门。

参见图2和图5，优选的，供求单元包括气体压缩单元400和气体分配单元300，气体压缩单元400和气体分配单元300管路连通，气体分配单元300与型腔管路连通。此时气体可控性更好。

气体压缩单元400可以为各类能产生高压气体的装置。例如包括气体压缩机420和与气体压缩机420管路连通的储气罐430，储气罐430设有输气管。显然的，气体压缩机420需要设置吸气口410获得可用于压缩的气体。输气管可以与气体分配单元300和/或型腔和/或气孔件200相通。输气管上可以设置通断开关460、流量计470等部件，以便控制气体的流动。储气罐430上也可以根据需要设置安全阀450和/或压力阀440，以保证储气罐430的安全性。气体压缩单元400可根据需要设置与乘载装置的任意位置，仅需保证气孔板为承受阻力部件即可。气体压缩机420接受控制单元500的控制对吸入的空气进行压缩或稀释处理。

优选的，气体压缩单元400包括用于产生高速气体的气体压缩机420和与之管路连通的储气罐430，储气罐430通过输气管与气体分配单元300连通，储气罐430上设置安全阀450和压力阀440，输气管上设置阀门和流量计470。

优选的，还包括控制单元500，控制单元500与供气单元控制连接。根据乘载装置的运行速度，计算气孔件200处所承受的阻力值，之后通过控制供气单元实现对气体流速、气压等的控制实现实时调节减阻效果。

气体压缩单元400产生适当高于乘载装置行驶速度下驻点压力的气体。通过设置控制单元500，实现气膜110速度的主动可调，所形成的气膜110可根据乘载装置所处运行阶段的速度进行调节，以形成最优的流场，以最低的能耗达到最大的减阻效果，从而进一步降低列车的能耗。

优选的，控制单元500还包括用于储存乘载装置各行驶速度分部对应的理论气压的储存元件，储存元件与控制单元500连接。便于乘载装置行驶过程中根据行驶速度控制所喷射出气体压力，以获得较好的控制效果。本文中理论气压为行驶速度下，在乘载装置承阻表面形成气膜110所需最低气膜孔210喷射气体压力。

优选的，还包括检测单元，用于测定理论环境下，乘载装置各行驶速度对应的理论气压，检测单元与储存元件连接。该检测单元能通过仿真模拟获得乘载装置各行驶速度对应的理论气压。

显然的为了降低成本和降低设备风险，气孔件200也可以为直接加工在乘载装置受阻面上。

参见图3(a)，气孔件表面2开设多个气膜孔210。气膜孔210的开孔方式包括各类能在气孔件表面2形成气膜110的开孔方式，例如多个气膜孔210彼此间隔均布于气孔件200上、多个气膜孔210交错布置于气孔件200上等多种方式均可。优选的，气膜孔210成排排列，包括第一排和第二排，第一排中的任一气膜孔210正对第二排中任两间隔相邻气膜孔210的间隔设置。从而可以提高所得气膜110在气孔件表面2的均布。

气膜孔210可以为各类结构的孔，例如可以为斜穿材料的通孔，优选的，参见附图3(b)气膜孔210由彼此相通的第一通道3和第二通道5构成。第一通道3的延伸方向倾斜于气孔件表面2，并形成锐角。更优选的，第一通道3的至少一个位置的直径小于或等于第二通道5的至少一个位置的直径。第一通道3为出气口。通过将气膜孔210设置为收缩出气口，从而有利于增大气膜110吹扫力度，提高气膜110形成强度。更优选的，第一通道3的直径小于或等于第二通道5的直径。

优选的，气膜孔210深度大于等于5毫米和/或气膜孔210深度大于等于气膜孔210中至少一个位置的直径的10倍。

最优实施例为：气膜孔210的深度为8～12毫米和/或气膜孔210深径比小于20：1。本文中深度是指气膜孔210贯穿的板体的厚度，即气膜孔210在板体内延伸的长度。

优选的，气膜孔210包括相通的第一通道3和第二通道5。第一通道3和第二通道5可以为各类能利于气体通过并形成气膜110的结构，例如通孔、异型孔、方孔均可。更优选的，第一通道3的至少一个位置的直径小于或等于第二通道5的至少一个位置的直径。

更优选的，第一通道3的直径小于或等于第二通道5的直径。

优选的，第二通道5为上下直径相等的通孔。如圆孔、方孔等均可。优选为，第二通道5与第一通道3相接的段的直径小于第二通道5与供气单元相接的段的直径。按此设置能增加供气单元产生气体的压力，有利于加大气膜孔210产生气体的压力。

参见附图3(b)，图中示出了气膜孔210的第二通道5的多种形式，可以为等孔径、梯形孔径和螺纹孔均可。

优选的，第一通道3的至少一个位置的直径在0.001毫米至0.25毫米的范围内；第二通道5的直径大于或等于1毫米；在第一通道3和第二通道5贯通方向上，气孔件200的厚度大于或等于第一通道3的至少一个位置的直径的20倍。

优选的，第一通道3的至少一个位置的直径在0.25毫米至0.75毫米范围内；第二通道5的直径大于或等于1毫米；在第一通道3和第二通道5相贯通的方向上，气孔件200的厚度大于或等于10毫米。

优选的，第一通道3的延伸方向与气孔件表面2夹角为15～60°。优选的，第一通道3的延伸方向与气孔件表面2形成25°～45°的锐角。本发明中按上述范围设置的上述具有大倾角的异型气膜孔210能在气孔件表面2形成“粘附”效应，可以在大范围形成稳定气膜110，大大降低了打孔数量。从而在保证气孔件200承压机械强度的前提下实现减阻。

更优选的，第一通道3的延伸方向与气孔件表面2夹角为30°倾角三维复杂异型孔时，表面开口大，内部开口小，形状如图4所示。如此，既减少喷射用气量，也增加表面覆盖面积。使用这样的复杂异形孔可以在广泛的速度范围内保证喷射气流的帖附性。

优选的，第一通道3在气孔件表面2的直径或等效直径大于第一通道3在气孔件200内部的直径。通过采用先收后放的孔径，能在对气体增压后，扩大形成气膜110的面积，以更好的覆盖气孔件200。

优选的，第一通道3在气孔件表面2形成开口，该开口包括在表面2横向延伸形成的扩散端212和收窄端211，开口的宽度从扩散端212向收窄端211逐渐收缩；收窄端211到扩散端212的方向，与第一通道3在气孔件表面2的投影到开口方向一致。通过将气膜孔210在表面2的开口设置为扩散端212和收窄端211，能有效提高喷射气体形成气膜110的面积，从而有利于在固体表面形成气膜110。开口在表面延伸的结构类似梯形。优选的，扩散端212具有延伸部213，延伸部213位于扩散端212与第一通道3在气孔件表面2的投影的垂直方向的两侧，延伸部213将开口方向向与收窄端211相反的方向延伸。

优选的，扩散端212具有延伸部，延伸部位于扩散端212与气膜孔210在气孔件表面2的投影的垂直方向的两侧，延伸部将开口方向向与收窄端相反的方向延伸。

优选的，气膜孔210在气孔件表面2的开口，沿气膜孔210在气孔件表面2的投影方向交错分布。

如图3中的图(a)所示，第一通道3在气孔件表面2的开口，沿第一通道3在气孔件表面2的投影方向交错分布。

第一通道3在气孔件表面2的开口，沿第一通道3在气孔件表面2的投影的垂直方向等间距分布，间距等于开口直径或等效直径的2倍。

优选的，如图3中的图(b)所示，气孔件200包括表层4和下层7；第一通道3贯通表层4设置；第二通道5贯通下层7设置。表层4的第一通道3和下层7的第二通道5相通。H2为气孔件200的表层4的厚度；H1-H2为气孔件200的下层7的厚度。

优选的，如图3中的图(b)所示，第二通道5垂直贯通下层7。优选的，第二通道5垂直于下层7的表面。优选的，气孔件表面2或气孔件200为三维曲面。

优选的，参见图4，气孔件200可以为三维曲面。以便更好的贴合各类不同形状的设备表面。

参见图3，优选的，气膜孔210包括第t排气膜孔210和第t+1排气膜孔210，第t排气膜孔210的开口正对第t+1排气膜孔210中任意两气膜孔210的间隔设置。例如第二排气膜孔210开口，正对第一排气膜孔210中任意两气膜孔210之间的间隔设置。此时能以最少的气膜孔210数量在气孔件表面2形成气膜110，尤其适于形成连续大面积气膜110。

使用时，此处以高速列车为例说明，当高速列车在高速运行时，其迎风面受到远场气流100的作用受到空气阻力，此时气膜减阻系统启动气体压缩机420吸取空气后输出高速气体，高速气体储存在储气罐430中备用。根据储气罐430的压力输出气体至气体分配单元300将气体分配至各型腔中，并从车体鼻锥部的气孔件表面2的多个气膜孔210中喷射出气体，在气孔件表面2形成均匀气膜110。由于所输出气体的压力始终保持在适当高于高速列车行驶速度下的驻点压力，实现减阻作用。

本发明的另一方面还提供了一种气膜减阻方法，包括以下步骤：

1)在乘载装置的待减阻区设置如上述的气膜减阻系统；

2)控制单元500根据乘载装置所处行驶速度，按行驶速度对应的理论气压控制供气单元供气，之后在气孔件表面2形成气膜；

理论气压为行驶速度下，在乘载装置承阻表面形成气膜所需最低气膜孔210喷射气体压力。

根据理论气压进行供气，能避免供气压力过大，导致的能力浪费。

优选的，理论气压的计算包括以下步骤：

建立各行驶速度下乘载装置的仿真模拟，测定各行驶速度下主承阻面所受阻力；

计算各阻力，对应的各理论气压。

通过建立模型进行仿真模拟确定乘载装置各行驶速度下，克服该速度下所受阻力对应的喷射气体压力，并将所得乘载装置行驶速度与喷射气体压力一一对应储存在储存元件中。乘载装置运行时，控制单元500调取储存元件中的信息，并按行驶速度对应的理论气压实施对供气单元的控制。从而实现在乘载装置承阻面上形成气膜以达到降低阻力的作用。

优选的，理论气压的计算包括以下步骤：

建立各行驶速度下乘载装置的仿真模型，测定各行驶速度下主承阻面所受阻力；

根据各阻力，计算各阻力对应的各理论气压。

按此步骤计算得到抵消承受阻力所需气压值，从而保证气压的精确产生，避免气压过高或过低。

优选的，乘载装置的行驶速度由控制单元500获取。提高设备的集成程度。

更优选地，乘载装置为高速列车时，气孔件200设置于高速列车的车头鼻锥区域。该方法用于高速列车时效果最好。

参见图2，为了更好的说明该方法，以高速列车为例进行说明：

(1)在高速列车车头鼻锥区域，根据加工多个具有前述结构的倾斜气膜孔210；

(2)通过仿真实验，确定不同车速下分别对应的理论气压，并储存于控制单元500的储存元件中；

(3)控制单元500收集列车的形式信息，调用理论气压，控制供气单元将气体压缩到指定的气压，并通过输送到型腔中，并在高速列车车头鼻锥附近区域形成气膜；

从型腔中的喷射出的气体通过气膜孔210内侧后，克服外场压力，在车头结构上形成覆盖车头的高速气膜。高速列车远场气体与该气膜摩擦，避免了远场气体直接与车身的固体表面摩擦，从而达到显著的降低粘阻的目的。根据列车不同的运行速度，控制单元500主动调节喷出气体的压力，能优化节能、减阻。

参见图2，本发明的另一方面还提供了一种高速列车的车头，包括设置于高速列车的承压面上的如前述的气膜减阻系统。该车头可以在较低的动力输出情况下，实现600km/h的运行时速。此处的承压面优选为车头的承压面。当然并不限于此。可根据需要设置。

参见图2和图5，车头的鼻锥区为主要承阻区，鼻锥区为中空结构，鼻锥表面为三维结构的气孔件200，表面开设多个气膜孔210。各气膜孔210均按前述气孔件200的实施例的方式设置。各气膜孔210均与中空的型腔相连通。气孔件200与型腔内壁222围成中空的容纳气体区，型腔内部间隔设有隔断部223。气体分配单元300与型腔相连通并向被隔断的各型腔输送气体。气体分配单元300同时与气体压缩单元400相连通。气体压缩单元400包括吸气口410、气体压缩机420、储气罐430、压力阀440、安全阀450、通断开关460和流量计470。吸气口410吸入气体后，进入气体压缩机420压缩后，输入储气罐430保存。储气罐430上设有安全阀450和压力阀440。根据使用需要储气罐430上的打开压力阀440，并依序经过通断开关460输出气体。并通过管路上的流量计470对所通过气体进行计量。控制单元500对气体压缩机420进行控制。

通过在高速列车的主要承阻区设置具有气膜孔210的气膜减阻系统，并配合所需的供气设备，能保证在高速列车车头鼻锥区域形成包覆其表面的高速气膜，使得高速行驶时车体200承受的远场气体仅与该气膜接触，形成气-气耦合从而降低了高速列车运行中所承受的气体阻力。以下结合仿真实验验证本发明提供的气膜减阻系统的减阻效果。

以上述气孔件200中的气膜孔210为例参见图3，进行气动仿真实验。气膜孔210单孔气动仿真分析模型示意图如图6所示，用单个气膜孔210气动仿真解释具有气膜孔210结构材料的减阻原理。气膜孔210气动仿真模型和结果(如图6所示)：气体从小孔喷出，y<0mm区域等效于固体表面光滑无气膜状态，y>5mm为复杂气膜孔210的下游区域，长方形填充区域为仿真气流区，其中a为气膜孔前区，b为气膜孔下游临近区，c为气膜孔下游远区。

气膜孔210气动仿真速度结果示意图如图7所示，气体从气膜孔210喷出，未产生气膜区域为“常规光滑表面大速度梯度”是指此处未形成气膜，此区域的速度梯度较已形成气膜表面为大。“气膜去表面小速度梯度”是指气膜孔210向车体表面吹气后，形成气膜，降低了车体表面的速度梯度，其速度梯度小于未形成气膜区。由Z轴坐标可见，“常规光滑表面大速度梯度”的速度梯度约为90.9。“气膜去表面小速度梯度”处的速度梯度约为75.8。远场，是指车体表面区域与气膜孔210的距离。。

图8为600公里/小时下有气膜和无气膜表面的气体速度对比折线示意图，横轴为离开固体表面的距离。该图反映是否设置气膜，对物体表面速度梯度的影响。由图可知气膜孔210的压力只要略微高出远场驻点压力(流场速度为零时的等效压力)，就可以形成贴附固体表面的气膜层，降低气膜部的表面的阻力。定义y为距离气膜孔的距离，y<0mm区域等效于光滑无气膜表面状态，y>5mm为气膜孔210的下游区域。y＝-5是没有气膜孔210喷射时光滑表面的速度曲线，y＝10-20为气膜孔210下游的速度分布。设置气膜后物体表面的速度梯度明显低于无气膜的情形。

图9为沿气膜孔210中心线气动粘阻与无气膜情况下的气动粘阻的比值折线示意图，由图可见，固体表面离孔越远，其摩擦阻力越低，设置气膜后气动粘阻可以减小40％以上，效果显著，而且减阻效果在孔的下游延展到很远的区域。

气膜孔210的单孔减阻效应远远大于普通的直圆气膜孔210。普通直圆孔容易使气流脱离表面，圆直孔的单孔减阻面积远远低于同等用气量的本发明提供的气膜孔210。

因此，本发明中提供的气膜孔210即使仅仅稀疏的布置，其减阻效果也远优于密集分布的简单直圆孔。

本发明提供的气膜减阻系统，能有效的解决加工成本、减阻效果和结构强度之间的矛盾。这对新型高铁减阻节能具有意义重大。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种气膜减阻系统，其特征在于，包括气膜部和供气单元；

所述气膜部与所述供气单元气路相连；

所述气膜部包括气孔件，所述气孔件中设有气膜孔，所述气膜孔倾斜于所述气孔件表面设置。

2.根据权利要求1所述的气膜减阻系统，其特征在于，所述气膜减阻系统还包括型腔，所述型腔由所述气孔件和所述型腔内壁围成，所述型腔与所述供气单元管路连通；

优选的，所述供气单元气体压力高于乘载装置行驶速度下的驻点压力；

优选的，所述气膜孔在所述气孔件表层的开口包括扩散端和收窄端，所述开口的宽度从所述扩散端到收窄端逐渐减小；

所述收窄端到所述扩散端的方向，与所述气膜孔在所述气孔件表面的投影到所述开口方向一致；

优选的，所述气膜孔在所述气孔件表面的开口，沿所述气膜孔在所述气孔件表面的投影方向交错分布；

优选的，所述气膜孔深度大于等于5毫米和/或所述气膜孔深度大于等于所述气膜孔中至少一个位置的直径的10倍；

优选的，所述气膜孔由彼此相通的第一通道和第二通道构成；

优选的，所述表层或所述气孔件为三维曲面。

3.根据权利要求2所述的气膜减阻系统，其特征在于，所述型腔内间隔设置多个隔断部，所述型腔被所述隔断部分割为多个单格；

各所述单格分别与所述供气单元管路连接；

优选的，所述供气单元包括气体压缩单元和气体分配单元，所述气体压缩单元和所述气体分配单元管路连通，所述气体分配单元与所述气膜部管路相通；

优选的，还包括用于控制所述供气单元产生气体压力的控制单元，所述控制单元与所述供气单元控制连接；

优选的，所述扩散端具有延伸部，所述延伸部位于所述扩散端与所述气膜孔在所述气孔件表面的投影的垂直方向的两侧，所述延伸部将所述开口方向向与所述收窄端相反的方向延伸；

优选的，所述第一通道的至少一个位置的直径小于或等于所述第二通道的至少一个位置的直径；

优选的，所述第一通道的直径小于或等于所述第二通道的直径；

优选的，所述第一通道的至少一个位置的直径在0.25毫米至0.75毫米范围内；

所述第二通道的直径大于或等于1毫米；

在所述第一通道和所述第二通道相贯通的方向上，所述气孔件的厚度大于或等于10毫米；

优选的，所述第一通道的至少一个位置的直径在0.001毫米至0.25毫米的范围内；

所述第二通道的直径大于或等于1毫米；

在所述第一通道和所述第二通道贯通方向上，所述气孔件的厚度大于或等于所述第一通道的至少一个位置的直径的20倍；

优选的，所述气孔件包括表层和下层；

所述第一通道贯通所述表层；

所述第二通道贯通所述下层；

所述表层和所述下层相连，所述表层的第一通道和所述下层的第二通道相通；

优选的，所述第一通道的延伸方向与所述气孔件表面形成25°～45°的锐角；

优选的，所述第一通道的延伸方向与所述气孔件表面形成30°的锐角。

4.根据权利要求3所述的气膜减阻系统，其特征在于，所述气体压缩单元包括气体压缩机、输气管和储气罐；

所述气体压缩机与所述储气罐管路连通，所述储气罐通过输气管与所述气体分配单元相通；

所述储气罐上设置安全阀和压力阀；

所述输气管上设置阀门和流量计；

优选的，所述控制单元还包括用于储存所述乘载装置各行驶速度分别对应的理论气压的储存元件，所述储存元件与所述控制单元连接。

5.根据权利要求4所述的气膜减阻系统，其特征在于，还包括检测单元，用于测定理论环境下，所述乘载装置各行驶速度对应的所述理论气压，所述检测单元与所述储存元件连接。

6.根据权利要求3所述的气膜减阻系统，其特征在于，所述第二通道垂直于所述下层的表面。

7.一种气膜减阻方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在乘载装置的待减阻区设置如权利要求1～6中任一项所述的气膜减阻系统；

2)控制单元根据所述乘载装置所处行驶速度，按所述行驶速度对应的所述理论气压控制供气单元供气，之后在所述气孔件表面形成气膜。

8.根据权利要求7所述的气膜减阻方法，其特征在于，所述理论气压的计算包括以下步骤：

建立各所述行驶速度下所述乘载装置的仿真模型，测定各行驶速度下主承阻面所受阻力；

根据各所述阻力，计算各所述阻力对应的各所述理论气压。

9.根据权利要求7所述的气膜减阻方法，其特征在于，所述乘载装置的行驶速度由所述控制单元获取。

10.一种高速列车，其特征在于，包括设置于所述高速列车的承压面上的如权利要求1～6中任一项所述的气膜减阻系统。