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“不離不棄”的泡沫箱的吉大風(fēng)洞試驗(yàn)調(diào)查

2020-07-25 15:39:28·  來源：AutoAero  作者：課題組  
　
近日有網(wǎng)友在高速上偶然拍到一個(gè)神奇的畫面，一輛小貨車車廂中的泡沫箱由于顛簸從車廂中掉落到路面上，在經(jīng)過路面反彈后又再次回到了車廂中，隨后再次掉落卻如倒
近日有網(wǎng)友在高速上偶然拍到一個(gè)神奇的畫面，一輛小貨車車廂中的泡沫箱由于顛簸從車廂中掉落到路面上，在經(jīng)過路面反彈后又再次回到了車廂中，隨后再次掉落卻如倒帶般再次彈回車中。該視頻在AutoAero的朋友群中也有傳播，大家還進(jìn)行了討論?，F(xiàn)在讓我們再次進(jìn)行更加真實(shí)的分析和調(diào)查。為了了解這種現(xiàn)象的科學(xué)原理，湖南衛(wèi)視聯(lián)系到吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，和我們的師生一道進(jìn)行了《新聞大求真》。先來看看湖南衛(wèi)視的完整視頻。
 
按照人們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，貨車中掉落的貨物一定會向后翻滾，甚至造成事故，而這個(gè)泡沫箱卻好像有了自己的“想法”，該視頻也引發(fā)了廣大網(wǎng)友的調(diào)侃，同時(shí)也激起了人們的好奇心，甚至有人懷疑視頻中的內(nèi)容是否屬實(shí)，那么究竟是什么原理導(dǎo)致了泡沫箱與貨車間的“不離不棄”；下面讓我們一起從空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和原理的角度對此現(xiàn)象進(jìn)行分析。
 
做實(shí)驗(yàn)的場地，是課題組所在的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室：吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，也是國內(nèi)最早的汽車專用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)常承擔(dān)國內(nèi)外的各種汽車模型開發(fā)，汽車整車風(fēng)洞試驗(yàn)開發(fā)任務(wù)，下面就是一些實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)各種車型試驗(yàn)的圖片。
 
 
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也是空氣動力學(xué)最普遍的研究方法，泡沫箱的問題讓我們通過試驗(yàn)來做個(gè)探究。
   
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：物體的運(yùn)動狀態(tài)會受到其所受外力的影響，故首先對掉落的貨物進(jìn)行受力分析，貨物在掉落過程中會受到重力的作用，碰撞到地面后則由于其自身的變形受到彈力的作用，但以上兩種力都不能夠使泡沫箱產(chǎn)生向車廂運(yùn)動的趨勢；但實(shí)際情況表明，這個(gè)外力是必然存在的；接下來讓我們通過實(shí)驗(yàn)來尋找這個(gè)力。
   
具體實(shí)驗(yàn)流程：在實(shí)驗(yàn)中采用1：4卡車模型見下圖和同樣尺寸比例的泡沫箱來還原實(shí)際的空氣流動情況，為防止泡沫箱被吹離，用細(xì)線將其與車廂連接?？ㄜ嚨某叽缛缦聢D，具體信息可以參考文末的推薦閱讀文章2。
 
（1）第一次實(shí)驗(yàn)，風(fēng)洞進(jìn)口速度40km/h，泡沫箱距離車廂1.5m，觀察貨箱運(yùn)動情況，發(fā)現(xiàn)泡沫箱運(yùn)動不明顯，在此基礎(chǔ)上加大風(fēng)速到80km/h，泡沫箱向后運(yùn)動，細(xì)線被拉直，并未發(fā)現(xiàn)回彈現(xiàn)象。
（2）第二次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯可能是由于泡沫箱距離貨箱距離過大；故減小泡沫箱與車廂間的距離為1m；風(fēng)動進(jìn)口速度40km/h，觀察貨箱運(yùn)動情況，發(fā)現(xiàn)貨箱有明顯的運(yùn)動，但并未發(fā)生回彈；在此基礎(chǔ)上加大風(fēng)速到80km/h，泡沫箱掉落到地面后回彈到貨車車廂處，可以觀察到明顯的回彈現(xiàn)象，并且此過程如倒放般不斷重復(fù)。
 
（3）補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，在已經(jīng)可以觀察到回彈現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，為了更好的觀察和理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，取下泡沫箱，將細(xì)繩換為紅色的緞帶，進(jìn)口速度不變，可以觀察到緞帶沿順時(shí)針方向不斷上卷；用煙流代替紅色緞帶，可以更加清楚的氣流的流動，沿順時(shí)針方向形成渦流。
 
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：首先可以先看下圖，這是我們進(jìn)行的卡車CFD數(shù)值模擬的結(jié)果。可以看到高速運(yùn)動時(shí)卡車尾部的氣流流動，在車尾處可以看到明顯的渦，這是一個(gè)由于分離而形成的回流渦，氣流在車的尾部形成一個(gè)往返的回流區(qū)域。
 
讓我們從原理的角度進(jìn)行分析，可以參考下面的原理圖。貨車行駛時(shí)，流經(jīng)貨車底部的氣流在流出貨車底部時(shí)會在車尾處發(fā)生流動分離，從而產(chǎn)生順時(shí)針方向的渦流，形成尾部負(fù)壓區(qū)，而當(dāng)泡沫箱處于負(fù)壓區(qū)時(shí)（第一次實(shí)驗(yàn)未觀察到回彈現(xiàn)象則是由于泡沫箱位于負(fù)壓區(qū)之外或者邊緣，受到氣流的力較小），這個(gè)渦流會給其向上的力，可以使本就處于空中的泡沫箱彈得更高，同時(shí)還給了泡沫箱一個(gè)將其拉回貨箱尾部的力，這樣也就解釋了回彈現(xiàn)象的產(chǎn)生，高速公路上的那一幕也正是氣流高速流動造成的。
 
在上圖中也可以清晰的看到貨車尾部的氣流流動，紅色的圈就是尾部回流渦的流動路徑，這個(gè)渦的大小、位置會因車形狀的不同而不同。這個(gè)回流渦的形成及發(fā)展，還有一定的隨機(jī)性的，他可能隨著車輛行駛及各種條件的變化，對尾部回流渦的位置產(chǎn)生影響。實(shí)際貨車尾部氣流分離是一個(gè)瞬態(tài)流動現(xiàn)象，渦流的位置，大小，強(qiáng)度并不穩(wěn)定，故泡沫箱受到的力的大小方向也是不斷變化的；其次回流渦流動可以產(chǎn)生的力會受到速度的影響（這也是第二次實(shí)驗(yàn)風(fēng)速40km/h工況下效果不明顯，而將速度提高到80km/h卻可以觀察到明顯的回彈現(xiàn)象），并且渦流在向后運(yùn)動的過程中會不斷的耗散，故渦流拉回箱子的現(xiàn)象并不常見。并且不同車輛尾部回流渦的形成也各有不同，所以不能說都可能產(chǎn)生這樣的想象。
    
這跟火車快速通過站臺，會對站臺上的人有一定“新引力”有相似之處。但是根本上因?yàn)榛亓鳒u的速度相對較小，從而沒有足夠的能量對較重的物體產(chǎn)生足夠的力，讓他們返回車的貨箱。因此，該問題的主角是泡沫箱，也就不令人意外了。其它的物體掉落，可能是不能回到貨箱的，而且這是很危險(xiǎn)的，開車的人還需多加留意和小心。

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