在不久的未來,也許除了“頭燈白”與“尾燈紅”之外,夜間的高速公路的車流中可能還將迎來一種新的色彩:“等離子紫”。據(jù)了解,這種新色彩將來自美國(guó)一家創(chuàng)業(yè)公司帶來的新型節(jié)能設(shè)備:“等離子體激光器”。該系統(tǒng)可以通過發(fā)射等離子體平順大型卡車的尾部湍流。計(jì)算機(jī)模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果均表明,這種主動(dòng)氣流控制系統(tǒng)可以控制卡車周圍的風(fēng)力流動(dòng),從而將其風(fēng)阻降低近五分之一,也就是說可以協(xié)助卡車實(shí)現(xiàn)最高10%燃料經(jīng)濟(jì)性提升。
等離子體,也就是鮮為人知的“物質(zhì)第四態(tài)”,是由空氣中的高壓電場(chǎng)產(chǎn)生的帶電原子離子云。這種電火焰現(xiàn)象常見于一些家用空氣凈化器中,另外圣艾爾摩之火等自然現(xiàn)象以及有時(shí)掛在飛機(jī)翅膀上幽靈般的紫色火焰也是這回事。當(dāng)卡車安裝了這款等離子體激光器時(shí),系統(tǒng)表面電極產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)可向周圍發(fā)射等離子流,引導(dǎo)拖掛貨車等大型8級(jí)卡車周邊的氣體流動(dòng),從而平順湍流氣流,減少尾流阻力。
研究人員發(fā)現(xiàn),卡車大約65%的燃料消耗均用在了克服行車阻力上,而美國(guó)的卡車數(shù)量非常龐大,全國(guó)1.33億輛卡車每年大約將消耗600億加侖(2,270億升)燃料。因此,哪怕僅有一小部分卡車采用了這種創(chuàng)新的氣流技術(shù),全美卡車車隊(duì)的整體節(jié)油成果也將非常顯著。
等離子體激光器
Plasma Stream Technologies(等離子體流技術(shù))公司是一家位于愛荷華州Bettendorf市的小型創(chuàng)業(yè)公司。這家公司的終極目標(biāo)是打造一系列適用于卡車的“介質(zhì)阻擋等離子體激光器”。公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼投資人Pranay Bajjuri表示,截止目前,我們的概念已經(jīng)通過了超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞測(cè)試的驗(yàn)證,預(yù)計(jì)真實(shí)道路工況測(cè)試將安排在今年3月進(jìn)行。他表示,如果一切順利,公司將繼續(xù)推進(jìn)該概念的商業(yè)化,樂觀情況下,最終成品將于2018年初投入市場(chǎng)。
Bajjuri的本職工作是在一家重型設(shè)備制造商擔(dān)任電氣工程師。他介紹說,幾年前,他和幾位搭檔在尋找技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用機(jī)會(huì)時(shí),發(fā)現(xiàn)了等離子體激光器在優(yōu)化交通運(yùn)輸設(shè)備空氣動(dòng)力學(xué)性能方面的潛力,比如飛機(jī)機(jī)翼、風(fēng)機(jī)葉片,甚至渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)葉片等。他們還了解到,通用汽車(General Motors)等廠商也一直在研究如何利用基于等離子體的主動(dòng)氣流控制設(shè)備,優(yōu)化公路車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能,而且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)取得了不錯(cuò)的成果。
“等離子體激光器的出現(xiàn)已經(jīng)大約有15年了,但卻沒有什么相關(guān)商業(yè)化產(chǎn)品。”Bajjuri說,“我們希望成為首家將這種技術(shù)推入大規(guī)模商業(yè)市場(chǎng)的公司。”
Plasma Stream Technologies公司的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到,這些等離子體激光器能夠替代很長(zhǎng)時(shí)間以來一些卡車公司為了降低風(fēng)阻而采用的被動(dòng)氣流控制設(shè)備,比如導(dǎo)流板、渦流發(fā)生器及錐形車尾等。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
Plasma Stream Technologies公司推出的這款設(shè)備名為“eTail”,其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,并沒有任何活動(dòng)部件。基本來說,eTail的主要結(jié)構(gòu)即為兩個(gè)由Teflon(聚四氟乙烯)絕緣體隔開的銅電極。整個(gè)裝置的寬度僅為102mm,需要安裝在車輛尾部的頂邊與兩條側(cè)邊上。當(dāng)車速超過72km/h時(shí),eTail的表面電極將激活其上方的空氣,產(chǎn)生帶電粒子,進(jìn)而產(chǎn)生“風(fēng)”。Bajjuri解釋道,這種“風(fēng)”將改變“車輛尾部的高動(dòng)能湍流,并將其重新引導(dǎo)至車輛后方的低動(dòng)能區(qū)域”,從而最大限度地降低拖曳力損失。
盡管eTail系統(tǒng)的工作電壓較高,但由于其對(duì)電流的要求不高,因此還是相當(dāng)安全的。Bajjuri介紹說,“系統(tǒng)所采用的帶狀電極,平均功率僅為每米1瓦。”他補(bǔ)充說,該系統(tǒng)可在各種天氣條件下工作,包括雨、雪、霾等。此外,如果外加一層網(wǎng)格為電極進(jìn)行除冰,系統(tǒng)甚至還可以在寒冷的冬季中保持正常工作。
Plasma Stream Technologies公司團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人Thomas Corke表示,設(shè)備原型是基于圣母大學(xué)一組空氣動(dòng)力學(xué)工程師與研究人員的等離子體激光器專利技術(shù)設(shè)計(jì)而成。“一般來說,地面車輛通常通過改變尾流特性,來平順車輛尾部的氣流。”他介紹說,“效果最佳的狀態(tài),是讓氣流沿水平面向上12度的方向流動(dòng)。”
eTail系統(tǒng)的流量控制裝置采用了一款緊湊的輕量化電源,可通過iPad控制。Corke表示,由于“采用了直流脈沖電源,系統(tǒng)實(shí)際采用間隔供電方式,占空比僅為0.001%”,因此整體功耗很低。
在2015年底進(jìn)行的委托研究中,Corke的團(tuán)隊(duì)利用CFD技術(shù)模擬了等離子體激光器在降低8級(jí)半拖掛卡車風(fēng)阻方面的性能。模擬中的虛擬卡車模型采用了與之前圣母大學(xué)風(fēng)洞測(cè)試中選擇的同款卡車,但比例縮小為原尺寸的十二分之一。這里的計(jì)算機(jī)模擬主要是為了確定車尾坡度的最佳幾何形狀(即設(shè)備的斜率和寬度),以及等離子體激光器的安裝位置,從而在最大程度上降低半掛車的風(fēng)阻。與傳統(tǒng)的錐形車尾設(shè)計(jì)不同,eTail 并不會(huì)影響車輛后門的開合與上下貨。
Plasma Stream Technologies公司的最終設(shè)計(jì)方案的角度是11度,最終達(dá)成了高速行駛風(fēng)阻降低22.7%的目標(biāo),取得了11%的燃料經(jīng)濟(jì)性提升。這款等離子體設(shè)備安裝在拖車尾部,與傳統(tǒng)的錐形車尾設(shè)計(jì)(安裝尺寸為1.4m)相比,系統(tǒng)的整體尺寸較小,寬度僅為102mm。Bajjuri表示,該產(chǎn)品的成本應(yīng)在2,000美元左右,預(yù)計(jì)可每年為柴油車型節(jié)約8,000美元的油費(fèi)。
這種系統(tǒng)可安裝在半掛車的多個(gè)位置,包括卡車與拖車之間的縫隙、牽引車的后視鏡及前方格柵區(qū)域等,從多個(gè)方向優(yōu)化車輛的空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn),Plasma Stream Technologies公司認(rèn)為,該技術(shù)可同時(shí)適用于公交車、火車和賽車等應(yīng)用。