今日要闻!技术文章 | 空气动力学测量：边界层的组成

2023-04-13 15:55:18来源：GRAS

如《声学与气动声学之间的区别是什么？》一文所述，空气动力学和气动声学的研究是紧密相连的。在风洞中使用表面安装或嵌入式麦克风着重于测量物体流经介质时（或物体周围的介质）边界层中空气压力特性。

(资料图)

20世纪初，Ludwig Prandtl发表了一篇论文，他在论文中明确定义了现在所谓的边界层。从那时起，边界层的定义对空气动力学的研究带来了巨大帮助，同时其对于获取空气动力学/气动声学分析数据也具备较大的实用价值。风洞中被测器件（DUT）周围的气流分为两部分。较近的区域（数据采集中的关注区域）与Prandtl定义的边界层相同。这一边界层非常重要，因为它以在DUT和自由流动介质（不受DUT影响）之间具备粘性层为特征。

边界层中的流动可进一步分为两种主要类型：

1）层流；

2）湍流。

两者中间还存在一个过渡区。

气流中的边界层

层流

层流的特征是流体粒子在平行层中沿平滑路径流动，层与层之间（几乎）没有扰动。层流具备抛物线速度分布。气流速度在壁面处最低，在气流中心处最高。

封闭管道中的层流，

箭头的长度表示流体流动的近似速度

湍流

湍流是一种流体运动，以混乱的压强和流速变化为特征。

封闭管道中的湍流

过渡区

对于使用麦克风记录空气压强变化的边界层测量，很大程度上关注于分离声学信号与湍流（流动引起）或流体动力学的噪音。应特别注意确定气流从层状（相对安静）转变为混乱嘈杂状态的确切位置。这一位置称为过渡区域。

麦克风或压力传感器可用于监测过渡区域，因为湍流具备与层流不同的声学特征，两者可被区分开来。湍流强度从过渡区域到湍流区域逐渐增加，导致障碍物后面形成涡流系统。这些涡流和湍流以与气流速度相同的速度传播，是流体动力/空气动力噪声的主要来源。当流速足够快的时候，与流体动力噪音相比，DUT的自身的声学分量通常非常小。

理解气流

过渡区域是非常重要的，例如在处理机翼（例如飞机机翼）失速的时候。在航空领域，失速是指升力达到最大时，如果攻角（迎角）增大或减小，升力逐渐减小。当攻角增大的时，分离流动区域向前移动，影响升力，增加阻力。这意味着最佳角度（最大升力和最小阻力）与分离或过渡区域的位置相关。这一最佳角度还确保了最小的油耗和噪音产生。

但是，对过渡区的理解不仅仅对航天器优化有帮助，其对于“风力涡轮机叶片的效率最大化”、“减少阻力”和“降低湍流对机动车辆的影响”同样至关重要。在现代车辆中，以大约70 km/h的速度行驶时，轮胎路面噪音和发动机噪音都被风引起的噪音掩盖，超过50%的车辆能量被用于抵抗空气动力阻力。这意味着：制造更安静、更节能车辆的关键在于了解湍流在何处发生，以及如何定位和量化过渡区。

即使只在空气动力学性能方面取得了微小的改进，不少公司仍然继续在风洞测量、模拟软件和专家咨询方面投入大量的资金。而且电动汽车和相关技术的发展趋势只会让静音效率变得更加重要。为了提高飞机、涡轮叶片或车辆（在空气中移动）的性能和舒适性，了解流动介质的气动特性以及由此产生的气动声学因素成为关键。因此需要更好地理解气流的组成部分，发展开发工具和技术以获取有效数据，这对开发过程中的各个阶段都有好处，从最初的数据获取、基于原型设计和模型验证生成有限的元模型，直至最终产品——更安静、更高效、开销成本更低。

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责任编辑：hnmd003