汽車風窗噪聲及風振噪聲的機理及控制方法研究

摘 要：隨著車輛速度的不斷提高以及其他噪聲的有效控制，氣動噪聲已成為高速車輛的主要噪聲源之一，嚴重影響了駕乘的舒適性，同時也對環境產生了極大的污染。本文針對消費者最為關注的汽車風窗噪聲和風振噪聲以及噪聲計算當中存在的問題提出了控制方法。

關鍵詞：風振噪聲； 氣動噪聲； 壓力脈動

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2016）03-190-001

本文旨在尋求精確求解氣動噪聲源的計算方法，分析風窗噪聲及風振噪聲的特性與產生機理，探索控制風振噪聲的新方法，為降低車內噪聲并提高乘坐舒適性提供可靠的理論依據及有效的研究方法。為此，通過對二維圓柱模型以及三維后視鏡模型的外部流場及聲場計算，得出適合鈍體模型外部氣動噪聲計算的亞格子尺度模型；為提高對近壁面流動模擬的精確度，引入壁面函數和準κ-ε-v2/LES混合求解方式，并將前者用于簡易鈍體模型的外部氣動噪聲以及汽車風振噪聲計算，后者用于復雜形體——汽車的外部風窗噪聲求解；針對傳統天窗導流板存在的問題，提出了新型導流板，通過計算對該導流板控制噪聲的機理進行了闡述，并通過風洞實驗驗證了該導流板的有效性；嘗試采用主動控制的方法對天窗風振噪聲進行控制；將本文所取得的成果應用到實際車型——“中氣”轎車。

本文的主要研究內容如下：

1.低馬赫數下鈍體模型的外部氣動噪聲屬于寬頻帶噪聲，主要由表面壓力脈動所引起，而表面壓力脈動是一種寬頻帶的壓力脈動，其中低頻部分由大尺度的渦引起，高頻部分由小尺度渦運動引起。而在大渦模擬當中，小尺度渦由于被模化（即所謂的SGS模型）而無法直接進行模擬，因此不同的SGS模型必然得到不同的壓力脈動。

2.采用大渦模擬對汽車外部氣動噪聲計算時，由于車身表面復雜的分離流與再附著流，采用簡單的壁面模型已經不能滿足實際計算的要求。一種融合了雷諾平均模型和大渦模擬模型優點的RANS/LES混合模型應運而生，同時對RANS模型的選擇成為決定混合模型性能的關鍵。針對目前常用的RANS/LES存在的問題，嘗試采用三方程的κ-ε-v2湍流模型作為RANS/LES混合模型中的RANS部分，并且就κ-ε-v2存在的問題對其進行了簡化。得到了能用于汽車外部流場計算的準κ-ε-v2/LES混合模型。通過與當前應用較多的混合模型、大渦模擬模型以及風洞試驗結果對比，發現該模型能較為準確地預測汽車的外部瞬態流場。

3.在對低馬赫數下的天窗風振噪聲進行研究時，流體的可壓縮性是一個不可忽視的物理特性。但是如果采用完全可壓縮流體進行計算，對于馬赫數如此低的流動，必將引起數值方法的剛問題，導致計算發散。為此通過引入氣體狀態方程，從可壓縮流體的N-S方程入手，推導得出適合低馬赫數下的天窗風振噪聲計算的弱可壓縮模型，這樣既考慮了流體的可壓縮性，又避免了數值計算的發散。將該模型應用到簡易類車廂天窗風振噪聲的計算當中，通過與實驗結果的比較，證實了該方法的準確性與可行性。

4.目前在天窗風振噪聲的控制采用最多的方法就是安裝導流板，通過對傳統天窗導流板的風洞測試發現，當速度超過一定的時候，傳統導流板就失效了。針對該問題，提出了一種新型導流板。并從實驗和計算仿真的角度對不同速度下新型導流板控制噪聲的效果進行了評價。

5.通過對中氣轎車側窗開啟時的瞬態外流場進行仿真分析，了解該車的側窗風振噪聲特性。研究不同側窗開啟，駕乘人員的個數，不同風速，側窗開啟位置對駕駛員耳旁風振噪聲的影響。針對后窗風振噪聲過高的情況，采取相應措施控制風振噪聲。通過對天窗開啟時的瞬態外流場進行仿真分析，了解該車的天窗風振噪聲特性。通過安裝導流板和合理開啟天窗玻璃來控制風振噪聲，并對導流板的相關參數進行了改進設計。通過對天窗玻璃開啟的不同位置所產生風振頻率進行分析，結合風振產生機理推導出能有效預測天窗風振噪聲頻率的經驗公式。

綜上所述，本文系統地對汽車風窗噪聲以及風振噪聲進行了深入細致的研究，對汽車氣動噪聲的控制研究提供了可供參考的研究思路及方法。