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汽車氣動阻力與氣動聲學(xué)開發(fā)的區(qū)別與聯(lián)系
2021-02-23 21:36:02· 來源：汽車NVH充電寶 作者：汽車NVH充電寶
讓我們先從幾個問題說起： ①風(fēng)阻系數(shù)較低的流線型的汽車是不是就有較好的氣動聲學(xué)性能？ ②在汽車流體開發(fā)領(lǐng)域，氣動工程師和聲學(xué)工程師是否存在矛盾的地方？ ③汽車性能開發(fā)中，是否存在方案是否既有利于減阻，也有利于降噪？ 上述的這一類問題是汽車性能開
讓我們先從幾個問題說起：
①風(fēng)阻系數(shù)較低的流線型的汽車是不是就有較好的氣動聲學(xué)性能？
②在汽車流體開發(fā)領(lǐng)域，氣動工程師和聲學(xué)工程師是否存在矛盾的地方？
③汽車性能開發(fā)中，是否存在方案是否既有利于減阻，也有利于降噪？
上述的這一類問題是汽車性能開發(fā)工程師常常遇到的疑惑，在工作中也經(jīng)常遇到。我們要回答上訴的問題，首先要弄明白兩者的產(chǎn)生機(jī)理，以及兩個學(xué)科領(lǐng)域的歷史發(fā)展和理論依據(jù)。
今天就拋磚引玉，簡單談一談，汽車減阻和降噪的區(qū)別與聯(lián)系。
一、汽車空氣動力開發(fā)-氣動阻力
汽車的空氣動力開發(fā)是一個多維度集成的開發(fā)，涉及到氣動阻力、行駛穩(wěn)定性、水管理、防污等等，高速行駛的操控性能主要是高性能汽車，比如方程式賽車重點(diǎn)考慮的，對于家用的轎車，人們主要關(guān)注的還是日常行駛的油耗，跟它最相關(guān)的就是氣動阻力。降低行駛阻力，能夠給用戶帶來實(shí)實(shí)在在的收益，那就是省油，同時還能減少排放。同時具有低風(fēng)阻的造型一般具有流線型，還具有美學(xué)造型，也能獲得用戶的青睞。
汽車勻速行駛的阻力主要來自輪胎和空氣，隨著車速的提高，空氣阻力占主要貢獻(xiàn)。
舉個例子：
對于Cd*A=0.8m2的汽車
V=65km/h，55%的能量用于克服空氣阻力
V=90km/h，70%的能量用于克服空氣阻力。
當(dāng)然在阻礙汽車行駛的阻力因素中，有形狀阻力、誘導(dǎo)阻力，摩擦阻力、內(nèi)部阻力等等，機(jī)理復(fù)雜，為了簡化問題，抓住主要矛盾，占比最大的還是形狀阻力。
在形狀阻力中，前部阻力占比65%，主要是汽車前部造型的迎風(fēng)面的正壓引起，減阻的方向就是減少前臉的正壓，減少壓差；35%來自于氣流在尾部分離引起的壓差阻力，減阻的方向就是增加尾部的負(fù)壓，減少壓差。還有極少的一部分來自車身頂部、側(cè)部和底部的剪切力。
二、理論基礎(chǔ)-伯努利方程
從產(chǎn)生機(jī)理來看，汽車形狀阻力的根本原因在于空氣的壓差，這一切的要?dú)w功于瑞士流體物理學(xué)家丹尼爾·伯努利所作的貢獻(xiàn)。
在流體動力學(xué)，伯努利原理指出，無黏性的流體的速度增加時，流體的壓強(qiáng)能或勢能（勢能）總和將減少，用公式表達(dá)就是：
當(dāng)氣流流速不高，密度可視為不變，且氣體的重量又很小，所以這一項可以忽略不記。那么方程就變?yōu)殪o壓和動壓之和為定常數(shù)。
根據(jù)伯努利方程可以得出結(jié)論：
在氣流中，流速越快，動壓力就越大，靜壓就越小。
同時可以推出壓力系數(shù)的表達(dá)式：
進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到跟流速的關(guān)系：
從表達(dá)式上看，它是一個小于等于1的數(shù)，理論上可以為負(fù)無窮大。當(dāng)Cp=1時，V=0，此時靜壓最大，叫做駐點(diǎn)，相當(dāng)于氣流在此處相對靜止。
壓力系數(shù)Cp是減去環(huán)境壓力、除去密度、除去速度影響的無量綱參數(shù)。它是氣動工程師進(jìn)行氣動造型優(yōu)化的法寶。
三、汽車空氣動力開發(fā)-氣動噪聲
汽車氣動噪聲開發(fā)是NVH開發(fā)的內(nèi)容，它產(chǎn)生的機(jī)理可以用源-路徑-響應(yīng)模型解釋。能跟氣動阻力有聯(lián)系就是外形噪聲，傳遞路徑和響應(yīng)就單純是聲學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容。咱們重點(diǎn)來介紹下氣動聲源的問題。
在古老的經(jīng)典的力學(xué)學(xué)科中，氣動聲學(xué)算是比較年輕的一個分支。因為直到1952年，在英國曼徹斯特大學(xué)任教的詹姆斯萊特希爾教授，推導(dǎo)出了萊特希爾聲學(xué)方程，從此奠定了現(xiàn)代氣動聲學(xué)的基礎(chǔ)。
它將流體的運(yùn)動方程和經(jīng)典的波動方程結(jié)合起來，將流體的運(yùn)動聲源放在方程的左邊，而將聲學(xué)波動方程放置于方程右邊，將控制可壓縮粘性流體流動的Navier-Stokes方程不均勻的波動方程，從而在流體力學(xué)和聲學(xué)之間建立了聯(lián)系。
借助于萊特希爾方程中的源項，可以首次從物理上理解自由湍流產(chǎn)生聲音的本質(zhì)，從而極大的推動了氣動聲學(xué)的發(fā)展。
根據(jù)聲學(xué)的簡化關(guān)系，根據(jù)流體動力學(xué)，質(zhì)量定律和力學(xué)關(guān)系，推導(dǎo)出了該方程聲類比方程，并且得到簡化的解法。
方程的解有多項式組成。分別是單極子聲源，偶極子聲源和四極子聲源。單極子聲源的特性，跟速度的四次方成正比。偶極子各速度的六次方成正比，四極子跟速度的六次方成正比。
所以控制氣動噪聲，根本就是控制流速。當(dāng)然汽車的行駛速度是沒法控制的，這里主要是抑制局部氣流加速，氣流容易產(chǎn)生加速的地方，就是氣動聲源發(fā)生的地方。
四、兩者的區(qū)別與聯(lián)系
至此，氣動阻力與氣動聲學(xué)在經(jīng)典力學(xué)大廈下聯(lián)系起來，降低氣動阻力，就是要降低壓差；降低氣動噪聲，就是要降低流速。根據(jù)前面的伯努利方程，靜壓（跟壓差相關(guān)）與動壓（跟流速相關(guān)）之和為常數(shù)。所以從這個角度，兩者是有千絲萬縷的聯(lián)系的，但是也是有區(qū)別的。
區(qū)別在于壓差的控制：對于前部壓差阻力，來自于前臉的過壓，因此需要加速氣流流速來降低靜壓，這是與氣動噪聲控制違背的；對于尾部的壓差阻力，來自于尾部分離的欠壓，需要降低流速來提高提高靜壓，這是與氣動噪聲控制一致的。
所以具體的問題需要具體的對待，沒有放之四海而皆準(zhǔn)的原則，但有一點(diǎn)不變的就是只有掌握兩者的學(xué)科原理，才能在面對具體問題時，該如何分析與選擇。
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