轎車外流場及氣動(dòng)噪聲的建模與仿真

摘要：汽車高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，這對汽車乘坐的舒適性、車內(nèi)乘客的相互交流都會(huì)有十分不利的影響。通過CFD手段，采用大渦模擬方法和Lighthill理論，對汽車外流場進(jìn)行了計(jì)算和聲學(xué)分析。結(jié)果表明，CFD不僅可以提供該車氣動(dòng)噪聲特性，而且指出前擋風(fēng)玻璃與車頂連接處、后視鏡的造型、車門把手存在優(yōu)化可能，這為進(jìn)一步降低該車的風(fēng)噪提供方向性指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：轎車;風(fēng)噪;大渦模擬;聲學(xué)分析

中圖分類號：U464.134.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0042-04

External Aero Flow and Wind Noise Calculation on a Passenger Car with CFD

XIONG Ke-jia1，YANG Kun1，WANG Yi-gang2，LI Qi-liang2

(1.SAIC Motor Technical center，Shanghai201804，China；

2.Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji University，Shanghai 201804，China)

Abstract:As an automobile travels down the road，airflow interacts with the surface of the vehicle body to generate aerodynamic noise. Wind noise can be quite loud，which can annoy passengers and make it difficult to converse with other passengers. With LES and Lighthill theory，this paper calculates the wind noise of a vehicle. The results reveal that the noise level can be further reduced by optimizing the junction of wind shield and roof. The rear view mirror style and the handle of the door.

Key words: passenger car; wind noise; LES; acoustics analysis

當(dāng)空氣掠過汽車的外表面，在車身上除了會(huì)產(chǎn)生阻力和升力之外，還會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，也就是通常所說的風(fēng)噪。研究表明：當(dāng)車速超過90 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲將成為汽車的主要噪聲源之一［1-4］。當(dāng)汽車高速運(yùn)行時(shí)，長時(shí)間的風(fēng)噪會(huì)讓人很不舒服，影響汽車的舒適性。而且，過大的風(fēng)噪，也會(huì)影響車內(nèi)人員相互交流。當(dāng)前，車市競爭十分激烈，風(fēng)噪水平已成為評價(jià)汽車產(chǎn)品好壞的重要標(biāo)志。因此，研究汽車風(fēng)噪有非常重要的意義。

本文針對一款自主品牌轎車采用CFD方法計(jì)算汽車外流場，并進(jìn)行聲學(xué)分析，找到了導(dǎo)致風(fēng)噪偏大的原因，為車輛品質(zhì)的提升和改進(jìn)提供了方向。

1 計(jì)算模型

計(jì)算所用的幾何模型及面網(wǎng)格見圖1。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算收斂性，將汽車前端進(jìn)氣口封閉，簡化了底盤結(jié)構(gòu)，省略雨刮，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和前擋風(fēng)窗間進(jìn)行人工密封。除此之外的其它部分，與實(shí)車相比，模型幾乎保留了汽車外表面所有細(xì)部特征。整車面網(wǎng)格通過Hypermesh完成。

圖1 計(jì)算模型和實(shí)車

與風(fēng)阻計(jì)算相比，風(fēng)噪計(jì)算時(shí)汽車外表面的許多細(xì)節(jié)（后視鏡、門把手……）都非常重要，網(wǎng)格尺寸不能過大，分布也要合理。因此，需要十分精細(xì)地處理（見圖2）。

圖2 后視鏡和門把手的局部網(wǎng)格

體網(wǎng)格為混合網(wǎng)格。其中，邊界層為棱柱型網(wǎng)格，厚度為0.15 mm，共四層，其它區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)2 250萬。

計(jì)算域?yàn)殚L方體，其大小為：5倍車長×7倍車寬×4倍車高（見圖3）。進(jìn)口條件采用速度入口，大小為110 km/h；出口條件為壓力出口；地面、輪胎、車身等設(shè)為無滑移壁面；計(jì)算域的側(cè)面和頂面設(shè)置為對稱面邊界條件。

圖3 計(jì)算域示意圖

2 計(jì)算方法

首先進(jìn)行初始流場計(jì)算。這一過程又可分為兩步：（1）初始定常流場計(jì)算；（2）初始非定常計(jì)算。計(jì)算定常流場的目的是為非定常計(jì)算提供初始條件。定常計(jì)算采用Realizable湍流模型。非定常計(jì)算采用大渦模擬。

完成初始流場計(jì)算后，便進(jìn)行流場采樣計(jì)算，根據(jù)采樣得出的非定常靜壓脈動(dòng)，使用Lighthill聲學(xué)相似理論得到遠(yuǎn)場聲壓。對計(jì)算出來的遠(yuǎn)場聲壓進(jìn)行傅立葉變換，就得到聲壓頻譜［5，6］。整個(gè)計(jì)算共耗時(shí)28天，其中后12天為采樣時(shí)間。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 流場分析

在圖4可以看到，車身尾部和后視鏡尾部有較大尾流區(qū)。其中車身尾部的渦心位置距離車尾約0.4 m，約0.1倍車長。后視鏡尾部渦心位置距離后視鏡約0.15 m，約1倍后視鏡當(dāng)量直徑。

圖4 中截面統(tǒng)計(jì)平均速度

圖5中的脈動(dòng)速度的計(jì)算式見公式（1）。在圖5中可以看到，空氣在后視鏡、車尾出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流分離，形成不同尺度漩渦，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈速度脈動(dòng)，使當(dāng)?shù)厮俣让}動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)0.25以上。流場中的漩渦以四極子形式向車內(nèi)和車外傳遞。

圖5 截面脈動(dòng)速度

（ux）/uinlet=（1）

3.2 噪聲分析

在車身表面設(shè)置了許多監(jiān)控點(diǎn)，其中部分點(diǎn)的位置如圖6所示。

圖6 監(jiān)控點(diǎn)位置

結(jié)合圖5和圖7可以看到，后視鏡作為汽車氣動(dòng)噪聲主要噪聲源之一，氣流在后視鏡表面發(fā)生邊界層分離，尾渦拍打鏡面，使當(dāng)?shù)芈晧杭壓艽蟆Ｓ捎跉饬髟谥Ъ芴幍募铀僮饔茫?dāng)?shù)氐穆晧杭壴趫D中所示的幾個(gè)測點(diǎn)，聲壓級最大，達(dá)130 dB。

圖7 后視鏡附近部分監(jiān)控點(diǎn)頻譜

在圖8中，A柱末端的測點(diǎn)P57，在頻率約為1 000 Hz處出現(xiàn)峰值，這是車頂和擋風(fēng)玻璃連接和密封條不合理設(shè)計(jì)所致。該測點(diǎn)的聲壓級也較大。

圖8 車身部分監(jiān)控點(diǎn)頻譜

在圖9中，門把手在稍高頻率對應(yīng)的聲壓級較大。B柱沒有較明顯的噪聲問題。

4 總結(jié)

利用基于大渦模擬的氣動(dòng)噪聲直接解法求解轎車風(fēng)噪問題時(shí)，具有很大的優(yōu)勢：進(jìn)行聲學(xué)分析所需要的全部信息由完全由CFD仿真得到，不需要附加額外的聲學(xué)模型；計(jì)算可以反映聲源本身以及聲傳播等多種聲學(xué)現(xiàn)象；計(jì)算體現(xiàn)了噪聲和流場的相互作用，有助于更深入地理解噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)理。

本文利用該手段，對一款自主品牌轎車進(jìn)行了CFD計(jì)算和聲學(xué)分析，結(jié)果表明，可以在以下三個(gè)方面對該車做聲學(xué)優(yōu)化：（1）前擋風(fēng)玻璃與車頂連接處；（2）后視鏡的造型；（3）車門把手。

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