非光滑表面對汽車后視鏡氣動噪聲的影響研究

范偉軍，陳 濤，石少亮

（湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

非光滑表面對汽車后視鏡氣動噪聲的影響研究

范偉軍，陳 濤，石少亮

（湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

汽車高速行駛時的氣動噪聲對汽車的舒適性影響很大，后視鏡后方渦流對車身的脈動壓力直接影響氣動噪聲的形成，而非光滑表面結構的合理布置能夠對渦流起到一定的控制作用。采用計算流體力學（Computationa1 F1uid Dynamics，CFD）中的 RANS 與分離渦模擬（Detached Eddy Simu1ation，DES）對長方體模型進行氣動噪聲數值仿真，并將其結果與試驗結果對比，評估仿真方法對氣動噪聲預測的準確度。將凹坑型非光滑單元體布置在側窗全連接、側窗半連接、門外板連接三種不同基座造型的后視鏡表面進行仿真計算。對比分析非光滑表面對流動狀態、渦流結構及側窗監測點聲壓級頻譜的影響，探討非光滑結構的擾流效應對后視鏡區域流場形成的控制作用及其氣動降噪效果，為有效控制后視鏡區域流場結構，抑制渦激振動，改善乘員艙舒適性提供參考。

非光滑表面；分離渦模擬；基座造型；擾流效應；氣動降噪

隨著 CFD 的不斷發展以及用戶對汽車舒適性的要求不斷提高，汽車高速行駛時的氣動噪聲成為近年的研究熱點[1-2]。汽車高速行駛過程中，后視鏡區域對車內氣動噪聲的貢獻量最大。相關研究表明，汽車后視鏡的尾流和A柱的縱向渦流都會使側窗表面產生壓力脈動，這是導致氣動噪聲的主要原因。因此尋找一種控制后視鏡尾流及A柱縱向渦流結構的方法是改善汽車氣動噪聲的一種有效途徑。

研究表明非光滑表面形態結構能夠改變氣固表面邊界層流場結構，延遲氣流在表面上的分離。楊易等[3]將非光滑表面布置在車身不同位置，利用CFD 仿真與風洞試驗結合的方法，研究了非光滑表面對汽車尾渦結構的控制效果。楊磊[4]將非光滑表面應用在后視鏡上，發現非光滑表面的引入對降低后視鏡區域氣動噪聲有一定效果。從前期研究成果來看，非光滑表面對改善流場結構，降低后視鏡區域氣動噪聲有一定作用，但在前期非光滑表面對汽車氣動噪聲影響的研究中，沒有考慮后視鏡基座造型因素。為了充分了解非光滑表面對后視鏡區域流場的影響，探討非光滑表面氣動降噪的效果，本文綜合了不同后視鏡基座造型的因素展開研究。

首先，通過 STAR CCM+ 軟件對三維長方體模型進行仿真分析，并將仿真結果與試驗測量值[5]進行對比，評估仿真方法對氣動噪聲求解預測的準確度。然后，將非光滑表面布置在側窗全連接、側窗半連接和門外板連接3種不同基座造型的后視鏡模型表面，運用與長方體仿真分析相同的方法，對比分析非光滑表面對流場結構及側窗監測點聲壓級頻譜的影響，探討非光滑表面擾流效應對流場的控制作用，為進一步研究非光滑表面對氣動噪聲的改善提供參考。

1 仿真求解方法驗證

為評估仿真方法對氣動噪聲預測的準確度，建立簡單長方體模型，如圖1所示。

在保持長方體長和寬不變僅改變其高度的狀態下進行 CFD 仿真，分別得到其高度在 10 mm、30 mm 和 50 mm 時的固定監測點的聲壓級，并與試驗結果對比。

圖1 長方體模型尺寸及相關數據

在流場求解過程中，首先采用穩態RANS模擬得到穩態分析的計算結果，然后以穩態分析結果為起始條件，應用分離渦模型進行瞬態分析。為監測長方體區域氣動噪聲，引入 FW-H 方程進行求解。計算模型的穩態計算與瞬態計算的求解設置見表1和表2。

表1 穩態 RANS 的求解模型設置

表2 瞬態分析的求解模型設置

在網格生成過程中，考慮到計算氣動聲學的要求，按照壓力波的傳播標準，基于二階時間與空間離散的方法，每個聲波波長內需要有20個單元網格，計算公式如下：網格劃分過程中為了滿足計算要求，基準網格尺寸取 8 mm。網格類型采用 STAR CCM+ 中的 Trim 網格。同時在對近壁面邊界層網格劃分過程中確保其邊界層 Wa11 y+ 值小于 1，以保證計算精度。

由于網格數目龐大且分離渦模擬在計算過程中的復雜性，所以合理的時間步長設置至關重要。Nyquist采樣定律表明當采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍時，采樣的數字信號能夠完整保留原始信號中的信息。在 STAR CCM+ 中，采用二階空間離散格式計算時，當采樣頻率大于關注頻率的15 倍，計算能夠求解得到聲波波動振幅。如式（3）所示。

式中：ΔtF為時間步長，s；F 為關注頻率，Hz。為了滿足計算要求，同時提高計算精度，采用時間步長 ΔtF=0.033 ms。

采樣時間應為特征周期的4～5倍，以使湍流得到充分發展。根據斯特勞哈爾數確定采樣時間為：

式中：f為特征頻率，Hz；d 為特征長度，m；v 為流動速度，m/s；高雷諾數下圓柱繞流的斯特勞哈爾數約為 0.2[6]。長方體橫向尺寸為 100 mm，穩態分析的最高流速為 70 m/s，代入式（4）中，可得長方體特征頻率大約為 140 Hz，即特征周期為 0.007 s。為了充分反映流場的流動特性，采樣周期設為 0.1 s，約為長方體流場特征周期的 14倍。

圖2 流場聲壓云圖

仿真分析得到的流場聲壓云圖如圖2所示，圖中顯示了瞬態仿真中某一時刻對稱面聲壓分布情況，揭示了聲波的產生與傳播路徑。

由于長方體區域為主要噪聲源區域，仿真分析過程中通過對該區域進行監測得到圖 3a所示的聲壓級頻譜圖，圖 3b為試驗得到的聲壓級頻譜圖，圖中聲壓級曲線均經過A計權處理。與試驗值相比，仿真值相對較低，且在接近 2 000 Hz 時聲壓級存在一定衰減，但從仿真值聲壓級頻譜圖可以看出，隨著 H 增加，聲壓級也隨之增加，長方體高度為 50 mm 時聲壓級水平最高，30 mm 時次之，10 mm 時聲壓級最低，這與試驗值的趨勢基本保持一致。因此，采用 SST 進行穩態分析與采用 DES 進行瞬態分析相結合的仿真方法，可為氣動噪聲的預測提供合理的結果。

圖3 長方體聲壓級頻譜圖

2 后視鏡流場與氣動噪聲數值模擬

2.1 計算模型描述

國內外在對后視鏡區域流場的相關研究中使用楔形體[7-8]表達汽車 A 柱區域的流動狀態。本研究以楔形體為基礎，與后視鏡進行裝配后，可以表達汽車A柱、后視鏡及側窗區域的流動狀態。楔形體模型如圖4所示。

圖4 楔形體模型

為保證數據的可比較性，保持后視鏡罩造型不變，僅改變基座造型，分別建立側窗全連接、側窗半連接及門外板連接三種具有代表性的后視鏡模型，并與楔形體裝配，如圖5所示。

圖5 三種不同基座造型的后視鏡模型

在對凹坑單元體的排布形式中，常見有矩形、菱形和等差三種形式，相關研究表明［9］，凹坑矩形排布對流場控制效果最好，因此在對后視鏡作非光滑表面處理過程中采用矩形排布形式。為避免在網格劃分過程中出現網格質量不高的情況，采用弓形凹坑單元體，如圖 6 所示。圖中，W=L=16 mm，D=9 mm，S=1/3D=3 mm。非光滑處理后的后視鏡模型如圖7所示。

圖6 凹坑排布二維圖

圖7 非光滑表面處理后的后視鏡模型

2.2 數值仿真流程

針對汽車氣動噪聲的研究難點，本研究通過楔形體模型模擬后視鏡及側窗區域的流場特性。在計算過程中，對重點關注的后視鏡區域進行網格加密，細化網格尺寸，保證網格尺寸滿足計算氣動聲學要求的精度。采用與長方體模型相同的仿真方法，從分離渦模擬的結果中提取各指定監測點的脈動壓力，通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，FFT）轉換為聲壓級頻譜。

2.3 后視鏡數值模擬方案的設置

在流場數值模擬過程中，足夠的計算域對于計算精度非常重要。流場的計算域采用長方體，楔形體尺寸以 L×B×H（長 × 寬 × 高）表示，計算域總長為 9L，入口距離楔形體前端 2L，高為 5H，寬度為5B，如圖8所示。計算域邊界條件的設置見表3。同時根據式（1）～（4），對后視鏡計算求解的相關設置見表4。

在網格劃分過程中，對重點關注的后視鏡與側窗區域進行網格加密，如圖9所示。為避免網格差異對仿真結果的影響，后視鏡模型的相同部分采用相同的網格尺寸，各模型網格總數在 800 萬個左右。

表3 邊界條件設置

表4 后視鏡計算求解設置

圖9 網格劃分示意圖

3 非光滑表面對氣動噪聲的影響

3.1 非光滑表面對流場結構的影響分析

研究表明，非光滑表面的布置會使氣流在通過凹坑時，在凹坑內形成低速旋轉氣流，造成凹坑內部氣流與外部氣流的氣-氣接觸，形成渦墊效應。渦墊效應使原光滑模型氣-固表面的滑動摩擦變為滾動摩擦。由于滾動摩擦遠小于滑動摩擦，因此非光滑表面流體保持了較大的動能［10］。

圖10所示為氣流流經后視鏡表面時縱向截面的速度云圖。可以看出氣流在通過非光滑表面時，低速氣流厚度明顯增加，同時光滑模型后方出現氣流逆向運動，而非光滑模型上方氣流分離延遲，沒有出現逆流運動現象，從而降低了高速氣流對后方低速氣流的沖擊，擾動了后視鏡區域的流場結構。

圖11 ～ 13 分別為側窗全連接、側窗半連接與門外板連接3種后視鏡模型水平截面與楔形體車身表面流動狀態。受流經后視鏡的高速氣流影響，后視鏡后方低速滯留區氣流作加速旋轉運動，形成渦流。根據渦聲理論，旋轉的渦流會形成壓力波動作用于車身表面，使車身表面振動，從而產生氣動噪聲。對比不同后視鏡模型的流動狀態圖可以看出，后視鏡后方的渦流形成與基座造型有直接聯系。

圖11 側窗全連接后視鏡模型水平截面與楔形體車身表面流動狀態

圖12 側窗半連接后視鏡模型水平截面與楔形體車身表面流動狀態

圖13 門外板連接后視鏡模型水平截面與楔形體車身表面流動狀態

（1）側窗全連接。由圖 11 可知，非光滑表面使后視鏡后方渦核中心外移，且整個渦流成橫向扁圓狀發展，降低了渦流對車身的影響。

（2）側窗半連接。由圖 12 可知，非光滑表面的引入使后視鏡后方渦流強度明顯降低。根據渦聲理論可以推斷，渦流強度的降低能有效抑制氣動噪聲的產生。

（3）門外板連接。由圖 13 可知，非光滑表面使外側渦核中心往后移，但對后視鏡后方渦流結構的整體影響不是很明顯。

從流動狀態圖可以看出，在后視鏡表面加上非光滑凹坑單元體對流場的擾流效應使流場結構得到改善，對于降低氣動噪聲有促進作用。

圖14 ～ 16 分別為側窗全連接、側窗半連接與門外板連接3種后視鏡模型的三維渦流結構圖。

（1）側窗全連接。結合狀態流線圖可知，受渦核中心外移影響，非光滑后視鏡外緣處渦流體積有小幅增加，同時后方渦流體積減小。

圖14 側窗全連接后視鏡模型的三維渦流結構圖

圖15 側窗半連接后視鏡模型的三維渦流結構圖

圖16 門外板連接后視鏡模型的三維渦流結構圖

圖17 監測點分布圖

（2）側窗半連接。對比渦流結構圖可知，在后視鏡后方分為上下兩股渦流。結合流動狀態圖可知，非光滑表面使緊貼側窗的上方渦流遠離側窗區域，同時下方渦流體積明顯減小，降低了渦流對側窗區域的影響。

（3）門外板連接。觀察渦流結構圖可知，與光滑后視鏡模型相比，非光滑模型渦流總量變化不大。

3.2 模型監測點頻譜分析

分析前文可知，非光滑表面的引入改變了后視鏡后方渦流結構。為了分析渦流結構的改變對氣動噪聲的影響，在側窗表面選取6個均勻分布的監測點，圖 17為監測點分布圖。

經瞬態計算后得到6個監測點的脈動壓力，通過 FFT 將監測點脈動壓力隨時間的變化轉化為聲壓級頻譜數據。圖 18 ～ 20 分別為側窗全連接、側窗半連接與門外板連接3種后視鏡模型各監測點的聲壓級頻譜圖，圖中頻譜均經過A計權及三分之一倍頻程處理。

（1）側窗全連接。對比圖 18 各監測點聲壓級頻譜圖，與光滑模型相比，非光滑模型監測點1與監測點4的聲壓級下降最為明顯，監測點3與監測點 6 在 350 Hz 后聲壓級有較為明顯的下降，監測點 2在 1 000 ～ 3 000 Hz 時聲壓級高于光滑模型，監測點5聲壓級變化不大。

（2）側窗半連接。由圖 19 可知，與光滑模型相比，非光滑模型監測點 1、5、6 在 350 Hz 以后的聲壓級得到了一定幅度的降低，監測點4在40 ～ 350 Hz 間有一定下降，監測點 2、3 的聲壓級變化不明顯。

（3）門外板連接。由圖 20 可知，與光滑模型相比，非光滑模型監測點3聲壓級減小，監測點2在120 ～ 350 Hz 低頻域內及監測點 4 在 1 000 ～ 3 000 Hz頻域內聲壓級升高，監測點 1、5、6 的聲壓級頻譜有小幅變化，但不是很明顯。

綜合以上分析可知，非光滑表面的布置對后視鏡區域流場產生擾動，改變了流場后方的渦流結構，對側窗區域的氣動噪聲產生了影響。對不同基座造型的后視鏡，非光滑表面對后方流場及氣動噪聲的影響也不同，其中對側窗全連接后視鏡氣動噪聲的改善效果最好，對側窗半連接與門外板連接后視鏡氣動噪聲的改善效果次之。

圖18 側窗全連接后視鏡監測點聲壓級頻譜

圖19 側窗半連接后視鏡監測點聲壓級頻譜

圖20 門外板連接后視鏡聲壓級頻譜

4 結論

（1）采用以 SST k -ω 模型進行穩態分析與以DES模型進行瞬態分析相結合的方法，通過理論計算選取相關的流場參數，能對氣動噪聲的預測提供合理的結果。

（2）凹坑型非光滑單元體在后視鏡上的布置使氣流在通過非光滑表面時，低速氣流厚度增加，氣流分離延遲，降低了高速氣流對后視鏡后方流場的沖擊。

（3）通過擾動后視鏡區域流場結構，非光滑表面對側窗區域的氣動噪聲有一定的改善，其中對側窗全連接后視鏡改善效果最好，對側窗半連接與門外板連接后視鏡氣動噪聲的改善效果次之。

（4）在研究非光滑表面對后視鏡側窗區域風噪的影響時僅考慮了基座造型因素，沒有涉及其它部位，同時非光滑單元體的幾何形態對風噪的影響需做進一步的研究工作。

（References）：

［1］FRANK H M，MUNZ C D. Direct Aeroacoustic Simu1ation of Acoustic Feedback Phenomena on a Side-View Mirror[J]. Journa1 of Sound and Vibration，2016，371：132-149.

［2］MUTNURI LAR，SENTHOORAN S，POWELL R，et a1. Computationa1 Process for Wind Noise Eva1uation of Rear-View Mirror Design in Cars[C]// SAE Technica1 Paper，2014-01-0619.

［3］楊易，黃劍鋒，范光輝，等 . 非光滑表面對汽車尾渦結構的控制分析研究 [J]. 機械工程學報，2016，52（8）：133-140. YANG Yi，HUANG Jianfeng，FAN Guanghui，et a1. Research on Non-smooth Surfaces for Contro1 of the Automobi1e Trai1ing Vortex Structure[J]. Journa1 of Mechanica1 Engineering，2016，52（8）：133-140.（in Chinese）

［4］楊磊 . 轎車后視鏡非光滑表面造型對車外氣動噪聲的影響研究 [D].長春：吉林大學，2012.YANG Lei. Research on Exterior Aerodynamic Noise by Nonsmooth Sty1ing of Car Rearview Mirror[D]. Changchun：Ji1in University，2012. （in Chinese）

［5］KATO Y，MEN'SHOV I，NAKAMURA Y.Aeroacoustic Simu1ationAround a Rectangu1ar Cy1inder on the Ground Surface[J]. Transactions ofthe Japan Society of Mechanica1 Engineers B，2006，72（716）：956-963.

［6］LIKHANDE B，SOVANI S，XU Jieyong. Computationa1 Aeroacoustic Ana1ysis of a Generic Side View Mirror[C]// SAE Technica1 Paper，2003-01-1698.

［7］楊博，胡興軍，張英朝 . 汽車后視鏡區域非定常流場與氣動噪聲研究 [J]. 機械工程學報，2010，46（22）：151-155. YANG Bo，HU Xingjun，ZHANG Yingchao. Study on Unsteady F1ow Fie1d and Aerodynamic Noise of the Automobi1e Rear View Mirror Region[J]. Journa1 of Mechanica1 Engineering，2010，46（22）：151-155. （in Chinese）

［8］UCHIDA K，OKUMURA K. Aerodynamic Noise Simu1ation Based on Lattice Bo1tzmann Method（Surface Pressure F1uctuations Around A-pi11ar）[C]// SAE Technica1 Paper，1999-01-1127.

［9］金益鋒，谷正氣，容江磊，等 . 汽車凹坑型非光滑表面減阻特性的分析與優化 [J]. 汽車工程，2013，35（1）：41-45. JIN Yifeng，GU Zhengqi，RONG Jiang1ei，et a1. Ana1ysis and Optimization on the Drag Reduction Characteristics of Car with Pit-Type Non-smooth Surface[J]. Automotive Engineering，2013，35（1）：41-45. （in Chinese）

［10］徐中，徐宇，王磊，等 . 凹坑形表面在空氣介質中的減阻性能研究 [J]. 摩擦學學報，2009，29（6）：579-583. XU Zhong，XU Yu，WANG Lei，et a1.Drag Reduction Effect of Dimp1e Concave Surface in Air[J]. Tribo1ogy，2009，29（6）：579-583. （in Chinese）

作者介紹

責任作者：范偉軍（1992-），男，湖南長沙人。碩士研究生，主要研究方向為汽車空氣動力學。

Te1：13055193565

E-mai1：13055193565@163.com

Research on the Impact of Non-smooth Surface on the Aerodynamic Noise of Vehicle Rear-View Mirro

FAN Weijun，CHEN Tao，SHI Shaoliang
（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

The aerodynamic noise of cars at high speed greatly affects vehicle comfort. Fluctuating pressure caused by the wake vortex of mirror body has a great effect on the formation of aerodynamic noise. The reasonable arrangement of the non-smooth surfaces can effectively control vortex structure. RANS and detached eddy simulation (DES) of computational fluid dynamics were applied to the aero-acoustic simulation of a rectangular, and the results were compared with the experimental results to evaluate the performance of the simulation method for aerodynamic noise predictions. Then the pit-type non-smooth surfaces were arranged on three types of rear-view mirrorswith three typical mirror bases for aerodynamic simulation. By comparing the flow state, vortex structure and the sound pressure level (SPL) spectrum, the paper investigates the swirl control and aerodynamic noise reduction caused by the spoiler effect of non-smooth surface. The paper provides a reference for the effective controlling of the wake vortex structure of the rear-view mirror, inhibition of vortex-induced vibration and improving the vehicle comfort.

non-smooth surface；detached eddy simulation; base model；spoiler effect；aerodynamic noise reduction

U463.85

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.01

陳濤（1978-），男，湖南長沙人。副教授，碩士生導師，主要研究方向為汽車碰撞安全、汽車CAE技術、空氣動力學、覆蓋件沖壓仿真與沖壓工藝設計、網格生成算法。

2016-11-21 改稿日期：2017-01-12

湖南省自然科學基金（14JJ3055）

參考文獻引用格式：

范偉軍，陳濤，石少亮 . 非光滑表面對汽車后視鏡氣動噪聲的影響研究［J］.汽車工程學報，2017，7(3)：157-166.

FAN Weijun，CHEN Tao，SHI Shao1iang. Research on the Impact of Non-smooth Surface on the Aerodynamic Noise of Vehic1e Rear-View Mirror ［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：157-166.（in Chinese）

Te1：18674880835

E-mai1：chentaohndx@gmai1.com