車(chē)速及偏航角對(duì)汽車(chē)側(cè)窗玻璃表面風(fēng)噪聲的影響

王若平，王雪釗

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

汽車(chē)NVH(noise vibration and harshness)性能作為整車(chē)研發(fā)時(shí)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)越來(lái)越受到消費(fèi)者和汽車(chē)工程師的重視[1]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、路噪、胎噪的降低，降低汽車(chē)行駛時(shí)的氣動(dòng)噪聲逐漸成為人們更加關(guān)注的問(wèn)題。在不同的行駛車(chē)速和偏航角下，車(chē)窗表面由于流固耦合作用產(chǎn)生的聲壓級(jí)也不盡相同。當(dāng)車(chē)速較高或偏航角達(dá)某一角度時(shí)，較大的風(fēng)噪聲會(huì)影響車(chē)內(nèi)語(yǔ)言清晰度，干擾車(chē)內(nèi)人員的正常交談?？紤]到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究的高成本，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)越來(lái)越多地被用來(lái)研究流體特性問(wèn)題。已有研究表明，采用CFD方法在不同來(lái)流條件和道路湍流情況下求解風(fēng)噪聲對(duì)于研究氣流狀態(tài)對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)噪聲的影響具有重要意義[1]。王俊等[2]采用大渦模擬(large eddge simulation)研究了側(cè)風(fēng)下某車(chē)型A柱風(fēng)噪優(yōu)化問(wèn)題,提出了A柱設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和改進(jìn)措施。Graf等[3]研究了有無(wú)側(cè)向風(fēng)兩種工況下的車(chē)內(nèi)噪聲大小，發(fā)現(xiàn)在側(cè)向風(fēng)下背風(fēng)側(cè)的噪聲明顯高于無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)。蘇晨等[4]研究了雨刮對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量及優(yōu)化改進(jìn)措施，實(shí)驗(yàn)研究表明雨刮風(fēng)噪聲主要與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙蓋的相對(duì)位置和前擋風(fēng)玻璃的傳遞損失有關(guān)。 Swamy Mukkera采用CFD-FEM(fluent & virtual lab)聯(lián)合仿真的方法，預(yù)測(cè)了車(chē)輛不同后視鏡結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響水平。分析認(rèn)為，新結(jié)構(gòu)后視鏡方案能降低17%的噪聲[5]。該方法可以推廣到A柱、雨刮器、空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)噪分析。賈志浩[6]進(jìn)行了不同湍流模型對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)聲壓的數(shù)值模擬，對(duì)比實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，得出4種不同湍流模型的計(jì)算精度與特點(diǎn)。

本文采用Catia、Hypermesh和Star-ccm+軟件對(duì)兩種車(chē)型進(jìn)行三維建模，通過(guò)網(wǎng)格劃分和外流側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)求解計(jì)算，分別研究不同車(chē)速和不同偏航角下側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)變化規(guī)律。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合得到曲線，并分析相關(guān)規(guī)律，得出結(jié)論。

1 車(chē)速對(duì)側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)影響

1.1 聲壓級(jí)與車(chē)速的關(guān)系

FW-H方程考慮了運(yùn)動(dòng)的固體邊界對(duì)流體作用產(chǎn)生的影響，其氣動(dòng)噪聲微分公式為

(1)

(2)

其中：ρ為流體密度；ui和uj為流體在i和j方向的速度分量；pij為應(yīng)力張量；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)；ρ′為流體密度的波動(dòng)量。

方程(1)右邊第1項(xiàng)為單極子聲源，其聲功率大小與氣流速度的4次方成正比。第2項(xiàng)為由于壓力差所導(dǎo)致的力聲源，稱(chēng)為偶極子聲源，其聲功率與氣流速度的六次方成正比。第3項(xiàng)為四極子聲源，其聲功率與氣流速度的6次方成正比。單極子聲源的能量與汽車(chē)表面運(yùn)動(dòng)時(shí)物體表面的厚度變化有關(guān)，由于表面變化微小，故單極子聲源幾乎為零，可忽略不計(jì)。四極子聲源能量與偶極子聲源能量之比與馬赫數(shù)的平方成正比[7]，如式(3)所示。

E4/E2∝M2

(3)

當(dāng)汽車(chē)車(chē)速為200 km/h時(shí)，馬赫數(shù)為0.16左右，因此車(chē)輛氣動(dòng)噪聲中四極子聲源所占比重較小，偶極子聲源占據(jù)主要比重。

偶極子聲源為氣動(dòng)噪聲的主要聲源，當(dāng)接收點(diǎn)在較遠(yuǎn)處時(shí)，聲強(qiáng)可以描述為

(4)

式中：V為風(fēng)速;l為特征尺寸；r為接收點(diǎn)和聲源的距離；θ為接收點(diǎn)到發(fā)聲點(diǎn)的矢徑方向與風(fēng)速方向間的夾角[8]。由此可知，能量與車(chē)速的六次方成正比，即車(chē)速每增加1倍，車(chē)內(nèi)聲壓級(jí)將增加60lg2≈18 dB(A)左右。

通過(guò)理論求解計(jì)算得出聲壓級(jí)與車(chē)速的關(guān)系，下面通過(guò)仿真驗(yàn)證理論的正確性。

1.2 模型的建立

1.2.1外case面模型建立

分別針對(duì)兩種車(chē)型展開(kāi)研究。通過(guò)建立模型并劃分網(wǎng)格建立兩種車(chē)型的外case面有限元模型。圖1為車(chē)型1有限元模型，為某款小型SUV。圖2為車(chē)型2有限元模型，為某款中型SUV。風(fēng)噪聲主要由A柱及后視鏡引起，故為方便模型的建立，兩種有限元模型在進(jìn)氣格柵及車(chē)底盤(pán)處均通過(guò)簡(jiǎn)化方式進(jìn)行處理。

圖1 車(chē)型1有限元模型

圖2 車(chē)型2有限元模型

1.2.2生成體網(wǎng)格

體網(wǎng)格生成在Star-ccm+軟件中進(jìn)行。將有限元模型置于數(shù)字風(fēng)洞中，通過(guò)軟件自帶接口進(jìn)行兩個(gè)軟件的銜接。本文采用多面體網(wǎng)格，風(fēng)洞模型采用同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)風(fēng)洞按1∶1建模，模型長(zhǎng)22.8 m，寬18 m，高12.7 m。氣流易在A柱及后視鏡部位發(fā)生分離，在前側(cè)窗玻璃表面形成分離區(qū)及再附著區(qū)。因此，分別在后視鏡、A柱位置及總成外表面附加加密區(qū)以捕捉關(guān)鍵部位的流體狀態(tài)。 在遠(yuǎn)離車(chē)體的空間選用大尺寸網(wǎng)格參數(shù)以減少網(wǎng)格及節(jié)點(diǎn)數(shù)量。車(chē)輛靜止放置于風(fēng)洞中，為更好地模擬車(chē)身表面氣流梯度變化規(guī)律，設(shè)置5層六面體邊界層，厚度共為7.2 mm，邊界層增長(zhǎng)率為1.2。風(fēng)洞地面邊界層為5層，厚度為70 mm、增長(zhǎng)率為1.2。選取表面聲壓級(jí)最大值作為特定速度下的參考聲壓級(jí)。圖3為車(chē)型1置于風(fēng)洞中生成的體網(wǎng)格沿縱向?qū)ΨQ(chēng)面(y=0)的剖切示意圖，共生成 3 154 639個(gè)體網(wǎng)格。車(chē)型2置于風(fēng)洞中，共生成 3 010 593個(gè)體網(wǎng)格。

圖3 車(chē)型1體網(wǎng)格縱向剖視圖

1.2.3數(shù)值求解

采用RANS法、k-ε湍流模型進(jìn)行湍流數(shù)值模擬。該方法對(duì)非線性的N-S方程進(jìn)行了時(shí)間上的平均化處理，故有效避免了時(shí)間與空間的影響，降低了對(duì)計(jì)算量及計(jì)算機(jī)資源的要求。風(fēng)洞入口流速為20～120 km/h，以10 km/h的間隔遞增，每個(gè)車(chē)型計(jì)算11組數(shù)據(jù)。采用靜壓出口，出口壓力為0 Pa。選取2階對(duì)流格式，固定壁面取無(wú)滑移(No-slide)邊界。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

邊界條件及物理模型設(shè)置完畢后，在Star-ccm+軟件中計(jì)算得車(chē)身表面壓力云圖。采用Core寬頻噪聲源模型進(jìn)行后處理得到駕駛員左側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖。計(jì)算兩種車(chē)型相關(guān)參數(shù)，共得22組數(shù)據(jù)，選取聲壓級(jí)云圖中最大聲壓級(jí)作為參考聲壓值。車(chē)型1及車(chē)型2參考聲壓級(jí)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 車(chē)型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)

表2 車(chē)型2側(cè)窗玻璃表面參考聲壓

車(chē)型1在60、90、120 km/h速度時(shí)，側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖如圖4～6所示。

將兩車(chē)型各速度下側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)與對(duì)應(yīng)的車(chē)速進(jìn)行擬合得出折線圖，如圖7所示。

圖4 60 km/h時(shí)車(chē)型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖

圖5 90 km/h時(shí)車(chē)型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖

圖6 120 km/h時(shí)車(chē)型1測(cè)玻璃表面聲壓級(jí)云圖

圖7 兩種側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)隨車(chē)速變化曲線

從圖7可以看出車(chē)型1、2具有相似的曲線趨勢(shì)。在中低速時(shí)曲線斜率相比高速時(shí)大，可見(jiàn)風(fēng)噪在低速時(shí)的增長(zhǎng)速度較快。當(dāng)車(chē)速達(dá)到80 km/h時(shí)，聲壓級(jí)為77 dB左右，影響車(chē)內(nèi)人員的正常交談。兩種車(chē)型在相同速度下的聲壓級(jí)趨于相近，說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果具有可信性、一般性。式(1)表明，隨著速度增加50%，聲壓級(jí)增加12 dB，而速度增加1倍，聲壓級(jí)則增加18 dB左右。取圖3中80、120 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的表面聲壓級(jí)為77.5、88.9 dB，差值為12.4 dB。取圖3中30、60 及120 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)分別為52.4、71.6和89.8 dB，差值為19.2與19.8 dB。仿真結(jié)果與理論上的誤差可能是由網(wǎng)格尺寸設(shè)置、邊界條件設(shè)置等原因所致。汽車(chē)在中低速行駛時(shí)并未嚴(yán)格遵循一定規(guī)律，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及胎噪、路噪在整成噪聲中仍占據(jù)主要比例。

2 偏航角對(duì)駕駛員側(cè)玻璃表面聲壓級(jí)影響

在實(shí)際行駛過(guò)程中，受道路和環(huán)境狀態(tài)影響，譬如彎道、路橋、開(kāi)闊路面和有風(fēng)天氣，車(chē)輛可能出現(xiàn)偏航角或者處于側(cè)向風(fēng)的環(huán)境中[2]，因此對(duì)偏航角的研究具有重要意義。

偏航角的定義遵循“順正逆負(fù)”的規(guī)律。當(dāng)車(chē)輛置于風(fēng)洞中沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)10°時(shí)，表示+10°的偏航角，此時(shí)迎風(fēng)側(cè)為主駕駛員位置，背風(fēng)側(cè)為副駕駛員位置。圖8為偏航角為+10°時(shí)的氣流來(lái)流與車(chē)身位置的關(guān)系圖。通過(guò)在商業(yè)軟件Star-ccm+中計(jì)算穩(wěn)態(tài)側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)，研究其隨偏航角的改變，并通過(guò)比較迎風(fēng)側(cè)和逆風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)大小，探究?jī)蓚?cè)聲壓級(jí)存在的規(guī)律和比較有無(wú)偏航角狀態(tài)下的聲壓級(jí)大小。

圖8 +10°偏航角時(shí)氣流來(lái)流與車(chē)身的位置關(guān)系

為驗(yàn)證研究?jī)?nèi)容具有準(zhǔn)確性和一般性，仍采取車(chē)型1與車(chē)型2作為研究對(duì)象。汽車(chē)在120 km/h速度下行駛，自然風(fēng)速一般不超過(guò)10 m/s。當(dāng)側(cè)風(fēng)垂直于汽車(chē)縱向軸時(shí)，偏航角β=arctan0.3，約為17°[10]，取最大偏航角度為20°。車(chē)身外Case面模型為左右對(duì)稱(chēng)，故只需研究正或負(fù)偏航角。因此，計(jì)算工況設(shè)定為120 km/h行駛速度下+5°、+10°、+15°、+20°偏航角，其他邊界條件不變。

應(yīng)用汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法研究側(cè)風(fēng)作用下汽車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的形成機(jī)理與特點(diǎn)可以直觀地認(rèn)識(shí)流場(chǎng)各處速度、壓力分布、分離和渦流的產(chǎn)生及發(fā)展情況,對(duì)于深入分析側(cè)風(fēng)特性具有重要意義[10]。取零偏航角、風(fēng)速120 km/h為base狀態(tài)，研究無(wú)偏航角情況下車(chē)身表面壓力及流體分布狀態(tài)，在相同邊界條件下計(jì)算得出各偏航角下車(chē)身表面壓力云圖。圖9為base狀態(tài)下車(chē)身表面壓力分布云圖。

圖9 Base狀態(tài)車(chē)身表面壓力分布云圖

由圖9可知:無(wú)偏航角時(shí)，車(chē)身表面壓力及速度矢量分布沿縱軸對(duì)稱(chēng)，在A柱、后視鏡及前擋風(fēng)玻璃和車(chē)頂交界處呈現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)。這是由于氣流以高速流過(guò)該區(qū)域時(shí)，表面凸起或氣流運(yùn)動(dòng)平面的改變?cè)诖颂幃a(chǎn)生分離區(qū)所致。流體速度矢量云圖為車(chē)身表面流體流動(dòng)方向及大小的表征，可以準(zhǔn)確地反映流體的流動(dòng)及分布狀況。圖10為base狀態(tài)下車(chē)身周?chē)黧w的速度矢量云圖，可以看出在A柱及后視鏡形成兩邊對(duì)稱(chēng)的渦流，車(chē)門(mén)和底盤(pán)也存在較小的渦流區(qū)域。

圖10 Base狀態(tài)下速度矢量云圖

車(chē)型1在各偏航角下的車(chē)身表面壓力分布云圖見(jiàn)圖11。有偏航角時(shí)，車(chē)身的側(cè)偏破壞了無(wú)偏角時(shí)車(chē)身外流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，在迎風(fēng)側(cè)面近車(chē)身處氣流速度較大[11]。由圖11可知，各偏航角情況下背風(fēng)側(cè) A柱及后視鏡表面壓力較其他區(qū)域小700～1 000 Pa。負(fù)壓區(qū)的存在會(huì)造成流體的抽吸，形成渦流。渦流的存在會(huì)形成聲源和風(fēng)噪聲。隨著負(fù)壓中心區(qū)域面積的增加，風(fēng)噪聲會(huì)越來(lái)越大。車(chē)型1的Base狀態(tài)及各偏航角下迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖如圖12所示，其中左為背風(fēng)側(cè)，右為迎風(fēng)側(cè)。

圖11 不同偏航角車(chē)身表面壓力云圖

圖12 各偏航角下兩側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖

Base狀態(tài)下，左右車(chē)窗表面聲壓級(jí)分布情況一致，最大聲壓級(jí)點(diǎn)均分布在后視鏡下緣后側(cè)。隨著偏航角的增大，背風(fēng)側(cè)最大處聲壓級(jí)從base狀態(tài)到+20°偏航角時(shí)分別為86.736、89.339、89.256、90.145、91.567 dB。由此可以得出：隨著偏航角的增大，車(chē)型1的背風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)最大值存在逐漸增大的趨勢(shì)，但增大聲壓級(jí)并不是很明顯。分析5種狀態(tài)下背風(fēng)側(cè)次聲壓級(jí)分布狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著偏航角的增大，次聲壓級(jí)分布呈現(xiàn)自側(cè)窗上側(cè)逐漸下移的趨勢(shì)。迎風(fēng)側(cè)最大聲壓級(jí)從base狀態(tài)到+20°偏航角時(shí)依次為86.736、82.134、79.155、78.036、78.231 dB。

同理，分析車(chē)型2分別得出背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)最大聲壓級(jí)。將車(chē)型1、2的背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)參考聲壓級(jí)值擬合在一起得到圖13所示的背風(fēng)側(cè)及迎風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)擬合曲線。

圖13 背風(fēng)側(cè)及迎風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)擬合曲線

由圖13可知：車(chē)型1和車(chē)型2在120 km/h勻速行駛、存在偏航角的情況下，迎風(fēng)側(cè)前側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)隨偏航角增大而減??；在背風(fēng)側(cè)，車(chē)型1側(cè)窗表面聲壓級(jí)最大值隨偏航角的增大而增大，而車(chē)型2在偏角達(dá)到20°時(shí)，側(cè)窗表面聲壓級(jí)最大值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這說(shuō)明背風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)變化并未遵循一定規(guī)律，需單獨(dú)考察。為了更好地觀察車(chē)型2偏航角大于20°時(shí)側(cè)窗表面聲壓級(jí)的變化情況，本文進(jìn)一步研究車(chē)型2在25°偏航角時(shí)，其側(cè)窗表面聲壓級(jí)的分布情況，結(jié)果如圖14所示，最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在后視鏡后附近，大小為88.9 dB，仍小于20°偏航角時(shí)的90.6 dB。

圖14 +25°偏航角時(shí)背風(fēng)側(cè)車(chē)窗玻璃表面聲壓級(jí)云圖

為研究出現(xiàn)該趨勢(shì)的原因，分析車(chē)型2背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃在+5°、+10°、+15°、+20°、+25°偏角下氣流在X方向上的渦量云圖，如圖15所示。由圖15可知：側(cè)窗后視鏡后出現(xiàn)最大聲壓級(jí)處渦量值分別為21 082、26 529、38 146、29 751、20 311 s-1。圖15的擬合曲線表明渦量曲線圖趨勢(shì)與聲壓級(jí)隨偏航角變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明車(chē)型2的側(cè)窗聲壓級(jí)隨行駛偏航角的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，偏航角15°時(shí)出現(xiàn)最大聲壓級(jí)，且聲壓級(jí)大小與氣流形成的渦流量有關(guān)。

圖15 渦量變化曲線

3 結(jié)論

1) 隨著車(chē)速的升高，兩款車(chē)型風(fēng)噪聲均不斷增大，但增長(zhǎng)速度逐漸變慢。當(dāng)車(chē)速超過(guò)80 km/h時(shí)已超過(guò)人們?cè)谲?chē)內(nèi)正常交流的聲壓級(jí)75 dB。

2) 不同偏航角下迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)不盡相同。迎風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)隨偏航角的增大而減小，達(dá)到某角度時(shí)趨于穩(wěn)定值不再變化。背風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)隨偏航角增大而增大，偏航角過(guò)大時(shí)可能出現(xiàn)聲壓級(jí)減小的情況?？傮w來(lái)說(shuō)，存在側(cè)向風(fēng)時(shí)，汽車(chē)行駛車(chē)內(nèi)風(fēng)噪聲會(huì)增大。

3) 側(cè)窗玻璃表面聲壓級(jí)的大小與氣流流過(guò)后視鏡在側(cè)窗附近形成的渦流量有關(guān)，渦流越大聲壓級(jí)越大。

4) 在研究風(fēng)噪聲隨偏航角變化的過(guò)程中，未分析造成背風(fēng)側(cè)聲壓級(jí)出現(xiàn)減小的后視鏡造型問(wèn)題，將在后期做進(jìn)一步研究。