汽車天窗風振噪聲的數值仿真研究

夏廣飛，張莉

（1.江淮汽車技術中心乘用車研究院，安徽 合肥 230009；2. 江淮汽車技術中心發動機試驗開發研究院，安徽 合肥 230009）

引言

近年來，隨著發動機噪聲、傳動系噪聲和胎噪的有效控制，以及汽車速度的不斷提升，氣動噪聲對汽車整體噪聲的影響愈加明顯。汽車開天窗或開側窗時，產生的風振噪聲是氣動噪聲的一個重要組成部分。它的頻率在20Hz左右、強度高在100dB以上，雖然它不易被人耳聽到，但它產生的脈動壓力卻使乘客感到煩躁和疲倦，這對汽車的舒適性有很大影響。因此，汽車風振噪聲已成為各大主機廠和廣大消費者關注的主要問題之一。

關于汽車風振噪聲的研究始于20世紀60年代[1]，早期研究多借助風洞試驗或實車道路試驗，周期長且投入巨大。

20世紀90年代以來，隨著計算機技術的高速發展，計算流體力學（CFD）技術開始廣泛應用于汽車風振噪聲的研究。1994年，Ota等[2]采用CFD仿真的方法對二維汽車模型的天窗風振噪聲進行了研究。2002年，Karbon等[3]借助PAM-FLOW對汽車天窗風振噪聲進行CFD仿真研究，并通過風洞實驗對仿真結果進行了驗證。2004-2007年，克萊斯勒的安長發博士等[4-8]對汽車的側窗和天窗風振噪聲進行了一系列研究，并提出了B柱開槽、調整導流板尺寸和安裝角度以等風振噪聲控制措施。國內對汽車風振噪聲的研究始于2007年，湖南大學的谷正氣等[9]將風振噪聲這一概念引入國內。此后，湖南大學的汪怡平、楊振東等人[10、11]對汽車的天窗和側窗風振噪聲進行了較為研究。

本文針對某車型存在的天窗風振噪聲問題，利用CFD仿真的方法對其進行了仿真計算，并對比道路實驗結果驗證了數值仿真的有效性。通過對比研究未添加導流板和添加導流板兩種情況的天窗風振噪聲，闡釋了導流板抑制天窗風振噪聲的機理，并在此基礎上提出了導流板的改進建議。

1 數值仿真方法

1.1 控制方程及湍流模型

對于天窗風振噪聲這一瞬態問題，本文采用大渦模擬（LES）對其進行CFD仿真研究。LES的控制方程如下：

運動方程：

運動方程：

式中：t為時間；xi、xj為坐標軸分量，ρ為密度，ui、uj為過濾后對的速度分量；p為過濾后的壓強；τij為壓個子尺度應力。

為使控制方程封閉，當前多采用較多的亞格子模型是渦旋粘性模型：

式中：δij為克羅內克系數；μt為壓個子湍流粘性系數；τkk為各項同性的亞格子尺度應力；Sij為求解尺度下的應變率張量分量，定義為：

1.2 計算模型及網格劃分

圖1 內飾及假人模型

天窗風振噪聲要研究天窗開啟情況下車外和車內的流場信息，因此，除汽車外部模型外，還需要汽車的內飾模型。同時，為與道路實驗保持一致，還在主駕駛和副駕駛位置添加了如圖1所示的假人模型。

為使仿真更貼近汽車的真實行駛環境，在汽車外部添加長55m，寬28m，高14m的虛擬風洞，車身前端到虛擬風洞的距離為14m。

網格尺寸的好壞，直接影響仿真求解的精度和時長，這里選用切割體進行劃分。在天窗及車身周圍等重點考察區域設置多個加密區（如圖2），其中天窗附近的網格尺寸為4mm。同時，為準確模擬車身附近的附面層，在車身表面生成了 3層第一層網格厚度為1mm，增長率為1.2的邊界層網格。最終，整個計算域流體網格的數目為1500萬左右。

圖2 天窗附近的CFD網格

1.3 仿真設置

本文的數值仿真是在有限區域內進行的，因此需要在邊界處設置與實際情況相符的邊界條件。文中所用邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設置

本文在進行瞬態仿真之前，首先利用 Realizable k-ε模型進行穩態仿真，并以穩態仿真的結果作為瞬態仿真的初值。瞬態仿真中的湍流模型選取 LES，時間步長是瞬態仿真中一個很關鍵的參數，為捕捉天窗開口處的脫落渦，選取0.002s的時間步長進行仿真，內部迭代步數為15，仿真時長為2s。

1.4 仿真方法驗證

為驗證本文的仿真方法，進行了實車道路實驗，道路實驗的工況與數值仿真保持一致，車速同為50km/h。道路實驗在A級路面上進行，環境風速小于2m/s，環境噪聲低于50dB。車內駕駛員和副駕位置左右成員，麥克風布置在駕駛員右耳附近，副駕處成員負責采集駕實驗數據。

圖3中，仿真結果的聲壓級峰值出現在17.7Hz處，大小為121.9dB；實驗測得的聲壓級峰值出現在16.6Hz處，大小為 125.2dB。對比發現，仿真結果與實驗結果吻合較好，驗證了仿真方法的可行性。

圖3 仿真與實驗的監測點處聲壓級頻譜對比

2 計算結果分析

為研究導流板對天窗風振噪聲的控制機理，本文分別仿真了汽車在未添加導流板與添加倒流板兩種情況下的天窗風振噪聲。

圖4是在汽車未添加導流板與添加倒流板兩種情況下，仿真得到的監測點處的聲壓級頻譜。從圖中可以看出：未添加導流板情況下，監測點處聲壓級峰值出現在18.2Hz處，大小為 129.9dB；添加導流板后，天窗風振噪聲的峰值頻率基本不變，峰值下降了 8dB，說明導流板對天窗風振噪聲有一定的控制效果。

圖4 未添加導流板與添加導流板的監測點處聲壓級頻譜對比

為對導流板的降噪機理進行研究，分別對比了未添加導流板和添加導流板兩種情況的速度云圖和渦量云圖。圖5a，未添加導流板情況下，某一時刻的速度云圖，圖5b為添加倒流板情況下，某時刻下的速度云圖，對比發現：受導流板的影響，天窗前緣的氣流在通過導流板時發生上揚，使得進入車內的氣流速度降低。圖6a，未添加導流板情況下，某一時刻的渦量云圖，圖6b為添加倒流板情況下，某時刻下的速度云圖，對比發現：受導流板的影響，天窗前緣的氣流在通過導流板時發生上揚，使得進入車內的渦量明顯減小。

圖5 某時刻下的速度云圖（m/s）（a.未添加導流板，b.添加導流板）

圖6 某時刻下的渦量云圖（/s）（a.未添加導流板，b.添加導流板）

由于導流板的存在，天窗前緣氣流發生上揚，進入車內氣流的速度降低，渦量減小，車內的壓力脈動隨之減小，從而實現了對天窗風振噪聲的控制。

3 結論

本文借助現有的汽車三維模型對天窗風振噪聲進行了數值仿真，并與實驗結果進行對比，驗證了數值仿真的有效性。主要得出以下結論：

（1）對比研究未添加導流板和添加導流板兩種情況，發現添加導流板后，汽車天窗風振噪聲下降了8dB，導流板對天窗風振噪聲有一定的控制效果。

（2）對比未添加導流板和添加導流板兩種情況的速度和渦量云圖，發現添加導流板后，來自天窗前緣的氣流通過導流板時發生上揚，使得通過天窗進入車內的渦旋強度降低，進而導致天窗風振噪聲有所削弱。

本文中添加導流板后，天窗風振噪聲有所降低，但仍然在120dB左右，風振噪聲還較為顯著，在下一段的研究工作有必要在認識了導流板的控制機理的基礎上，合理調整導流板的尺寸和安裝位置，以期達到更好的降噪效果。