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“不离不弃”的泡沫箱的吉大风洞试验调查

2020-07-25 15:39:28·  来源：AutoAero  作者：课题组  
　
近日有网友在高速上偶然拍到一个神奇的画面，一辆小货车车厢中的泡沫箱由于颠簸从车厢中掉落到路面上，在经过路面反弹后又再次回到了车厢中，随后再次掉落却如倒
近日有网友在高速上偶然拍到一个神奇的画面，一辆小货车车厢中的泡沫箱由于颠簸从车厢中掉落到路面上，在经过路面反弹后又再次回到了车厢中，随后再次掉落却如倒带般再次弹回车中。该视频在AutoAero的朋友群中也有传播，大家还进行了讨论。现在让我们再次进行更加真实的分析和调查。为了了解这种现象的科学原理，湖南卫视联系到吉林大学汽车风洞实验室，和我们的师生一道进行了《新闻大求真》。先来看看湖南卫视的完整视频。
 
按照人们的日常生活经验，货车中掉落的货物一定会向后翻滚，甚至造成事故，而这个泡沫箱却好像有了自己的“想法”，该视频也引发了广大网友的调侃，同时也激起了人们的好奇心，甚至有人怀疑视频中的内容是否属实，那么究竟是什么原理导致了泡沫箱与货车间的“不离不弃”；下面让我们一起从空气动力学实验和原理的角度对此现象进行分析。
 
做实验的场地，是课题组所在的风洞实验室：吉林大学汽车风洞实验室，也是国内最早的汽车专用风洞实验室。经常承担国内外的各种汽车模型开发，汽车整车风洞试验开发任务，下面就是一些实验室承担各种车型试验的图片。
 
 
风洞实验也是空气动力学最普遍的研究方法，泡沫箱的问题让我们通过试验来做个探究。
   
设计实验：物体的运动状态会受到其所受外力的影响，故首先对掉落的货物进行受力分析，货物在掉落过程中会受到重力的作用，碰撞到地面后则由于其自身的变形受到弹力的作用，但以上两种力都不能够使泡沫箱产生向车厢运动的趋势；但实际情况表明，这个外力是必然存在的；接下来让我们通过实验来寻找这个力。
   
具体实验流程：在实验中采用1：4卡车模型见下图和同样尺寸比例的泡沫箱来还原实际的空气流动情况，为防止泡沫箱被吹离，用细线将其与车厢连接。卡车的尺寸如下图，具体信息可以参考文末的推荐阅读文章2。
 
（1）第一次实验，风洞进口速度40km/h，泡沫箱距离车厢1.5m，观察货箱运动情况，发现泡沫箱运动不明显，在此基础上加大风速到80km/h，泡沫箱向后运动，细线被拉直，并未发现回弹现象。
（2）第二次实验，根据经验，实验现象不明显可能是由于泡沫箱距离货箱距离过大；故减小泡沫箱与车厢间的距离为1m；风动进口速度40km/h，观察货箱运动情况，发现货箱有明显的运动，但并未发生回弹；在此基础上加大风速到80km/h，泡沫箱掉落到地面后回弹到货车车厢处，可以观察到明显的回弹现象，并且此过程如倒放般不断重复。
 
（3）补充实验，在已经可以观察到回弹现象的基础上，为了更好的观察和理解实验现象，取下泡沫箱，将细绳换为红色的缎带，进口速度不变，可以观察到缎带沿顺时针方向不断上卷；用烟流代替红色缎带，可以更加清楚的气流的流动，沿顺时针方向形成涡流。
 
实验结果分析：首先可以先看下图，这是我们进行的卡车CFD数值模拟的结果。可以看到高速运动时卡车尾部的气流流动，在车尾处可以看到明显的涡，这是一个由于分离而形成的回流涡，气流在车的尾部形成一个往返的回流区域。
 
让我们从原理的角度进行分析，可以参考下面的原理图。货车行驶时，流经货车底部的气流在流出货车底部时会在车尾处发生流动分离，从而产生顺时针方向的涡流，形成尾部负压区，而当泡沫箱处于负压区时（第一次实验未观察到回弹现象则是由于泡沫箱位于负压区之外或者边缘，受到气流的力较小），这个涡流会给其向上的力，可以使本就处于空中的泡沫箱弹得更高，同时还给了泡沫箱一个将其拉回货箱尾部的力，这样也就解释了回弹现象的产生，高速公路上的那一幕也正是气流高速流动造成的。
 
在上图中也可以清晰的看到货车尾部的气流流动，红色的圈就是尾部回流涡的流动路径，这个涡的大小、位置会因车形状的不同而不同。这个回流涡的形成及发展，还有一定的随机性的，他可能随着车辆行驶及各种条件的变化，对尾部回流涡的位置产生影响。实际货车尾部气流分离是一个瞬态流动现象，涡流的位置，大小，强度并不稳定，故泡沫箱受到的力的大小方向也是不断变化的；其次回流涡流动可以产生的力会受到速度的影响（这也是第二次实验风速40km/h工况下效果不明显，而将速度提高到80km/h却可以观察到明显的回弹现象），并且涡流在向后运动的过程中会不断的耗散，故涡流拉回箱子的现象并不常见。并且不同车辆尾部回流涡的形成也各有不同，所以不能说都可能产生这样的想象。
    
这跟火车快速通过站台，会对站台上的人有一定“新引力”有相似之处。但是根本上因为回流涡的速度相对较小，从而没有足够的能量对较重的物体产生足够的力，让他们返回车的货箱。因此，该问题的主角是泡沫箱，也就不令人意外了。其它的物体掉落，可能是不能回到货箱的，而且这是很危险的，开车的人还需多加留意和小心。

更多的汽车空气动力学问题，请关注我们的公众号AutoAero。
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