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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

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