基于SST-DDES方法的汽車外氣動(dòng)噪聲模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

邢鵬，孟東曉，姜祖嘯

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)部，上海 201805）

隨著汽車技術(shù)的高速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車的關(guān)注點(diǎn)從早期的動(dòng)力性能逐漸轉(zhuǎn)換為車內(nèi)舒適性。特別是隨著新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)消失，高頻氣動(dòng)噪聲成為了最容易引起顧客抱怨的問(wèn)題。因此，研究并降低氣動(dòng)噪聲已成為控制車輛噪聲的關(guān)鍵之一。

道路試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)以及CFD仿真計(jì)算是整車氣動(dòng)聲學(xué)研究的主要技術(shù)手段。在整車研發(fā)前期階段，道路試驗(yàn)受限于樣車需求無(wú)法進(jìn)行。風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試精度高，但國(guó)內(nèi)風(fēng)洞資源緊張，測(cè)試費(fèi)用高，而且在整車研發(fā)前期階段需要油泥模型支持。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，利用CFD仿真技術(shù)來(lái)模擬整車氣動(dòng)聲學(xué)變得經(jīng)濟(jì)可行。

目前CFD計(jì)算方法主要有以下3種：直接數(shù)值模擬DNS，雷諾平均法RANS和大渦模擬LES。直接數(shù)值模擬DNS是通過(guò)直接求解瞬時(shí)的Navier-Stokes方程，DNS最大的好處就是無(wú)需對(duì)湍流流動(dòng)作任何簡(jiǎn)化或近似。但是DNS對(duì)于內(nèi)存空間和計(jì)算資源要求非常高，目前還很難用于工程計(jì)算。因此，在工程計(jì)算中通常采用雷諾平均法RANS，該方法不僅避免了DNS方法計(jì)算量大的問(wèn)題，而且在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了很好的效果。然而，雷諾平均法由于關(guān)注的是湍流引起的平均流場(chǎng)變化，對(duì)于求解渦的瞬時(shí)狀態(tài)變化存在一定的缺陷，尤其在對(duì)于湍流大分離流動(dòng)問(wèn)題上，面臨著不少技術(shù)障礙。大渦模擬法LES可以有效地避免這一問(wèn)題，被認(rèn)為是處理渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)問(wèn)題的有效方法。但是，大渦模擬法網(wǎng)格需求量大，計(jì)算耗時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在工程上的大規(guī)模應(yīng)用。針對(duì)這一情況，SPALART提出了一種脫體渦模擬DES技術(shù)，其核心思想是在近壁面附著渦主導(dǎo)區(qū)域仍采用RANS的湍流模型，在離開(kāi)物面附近的脫體渦主導(dǎo)區(qū)域采用大渦模擬。之后，STRELETS結(jié)合兩方程SST湍流模型發(fā)展了SST-DES模式，給出了一種SST-DDES的實(shí)現(xiàn)模式。胡偶等使用SST-DDES模型數(shù)值模擬了低速大迎角三角翼繞流及大迎角6∶1橢球繞流，觀察到與物理現(xiàn)象相一致的旋渦特征，并且得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。CHEN Xin等證明了使用SST-DDES模型可以有效捕捉后視鏡尾渦復(fù)雜的湍流特征，并且和試驗(yàn)結(jié)果一致。

汽車在行駛過(guò)程中，A柱和后視鏡后部區(qū)域存在很大的湍流脈動(dòng)，湍流脈動(dòng)拍打著側(cè)窗玻璃，側(cè)窗成為車輛氣動(dòng)噪聲主要噪聲源分布區(qū)域。由于分離區(qū)的存在，氣流會(huì)在側(cè)窗附近形成偶極子和四極子聲源并向車內(nèi)輻射噪聲。因此，在仿真模擬車內(nèi)的風(fēng)噪水平前，必須準(zhǔn)確獲取側(cè)窗玻璃的表面脈動(dòng)壓力結(jié)果。提高側(cè)窗表面脈動(dòng)壓力的CFD計(jì)算精度已經(jīng)成為獲取車內(nèi)準(zhǔn)確噪聲水平的關(guān)鍵。本文基于開(kāi)源軟件OpenFOAM，采用SST-DDES方法對(duì)側(cè)窗監(jiān)測(cè)點(diǎn)的表面脈動(dòng)壓力進(jìn)行仿真模擬，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證該方法模擬的準(zhǔn)確性。

1 SST-DES湍流模型

SST-DES技術(shù)的核心思想，是在近壁面附著渦主導(dǎo)區(qū)域仍采用RANS的湍流模型，在離開(kāi)物面附近的脫體渦主導(dǎo)區(qū)域采用大渦模擬法LES。

其控制方程為：

其中，

湍流耗散項(xiàng)通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換變量重新定義：

對(duì)于DES模型來(lái)講，發(fā)生在邊界層的從RANS到LES的過(guò)早轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致一些非物理的流動(dòng)現(xiàn)象，比如模型應(yīng)力耗散和網(wǎng)格誘導(dǎo)分離。為了處理模型應(yīng)力耗散和網(wǎng)格誘導(dǎo)分離，引入延遲函數(shù)，延遲函數(shù)的具體表達(dá)式為：

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 幾何建模和計(jì)算域確定

本文選擇某兩款B級(jí)轎車和A+級(jí)SUV為基本模型。為節(jié)約計(jì)算資源，排除其他因素的干擾，對(duì)整車模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如前端進(jìn)氣格柵進(jìn)行封閉處理，底盤用平面封閉，對(duì)氣動(dòng)噪聲影響較小的槽封閉等。對(duì)于氣動(dòng)噪聲比較敏感的部件，如后視鏡、A柱、玻璃，以及各個(gè)部件連接處的空腔、縫隙、臺(tái)階等特征都進(jìn)行了細(xì)節(jié)處理。

本文采用半車（左側(cè)）模型，為保證數(shù)值計(jì)算模型的計(jì)算精度，以車身長(zhǎng)度為標(biāo)尺，仿真計(jì)算域設(shè)置來(lái)流進(jìn)口距車頭3倍長(zhǎng)，壓力出口距車尾6倍長(zhǎng)，側(cè)面距離車門10倍寬，計(jì)算域頂面距離車頂6倍車高，計(jì)算域如圖1所示。

圖1 計(jì)算域設(shè)置

2.2 網(wǎng)格劃分

本文主要監(jiān)測(cè)側(cè)窗玻璃的表面脈動(dòng)壓力，對(duì)其影響較大的主要部件是A柱、后視鏡、流水條、玻璃等，對(duì)這些部件進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm，車身最大的面網(wǎng)格為8 mm，計(jì)算域壁面最大面網(wǎng)格尺寸為512 mm。根據(jù)面網(wǎng)格拉伸生成12層邊界層，第1層高度為0.01 mm，增長(zhǎng)率初始值設(shè)置為1.2，總厚度為2～3 mm，表1為車身網(wǎng)格設(shè)置。

表1 模型網(wǎng)格參數(shù)

為更好地捕捉湍流信息，將對(duì)A柱、B柱、后視鏡、前后車窗玻璃等對(duì)車窗玻璃表面脈動(dòng)壓力影響較大的區(qū)域進(jìn)行加密，加密區(qū)域如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格加密區(qū)

最終兩款車型用于計(jì)算的半車車型的網(wǎng)格總數(shù)為：轎車車型的網(wǎng)格數(shù)總共1.2億個(gè)，SUV車型的網(wǎng)格數(shù)總共1.4億個(gè)。

2.3 外流場(chǎng)結(jié)果分析

本文基于SST-DDES湍流模型，采用開(kāi)源軟件OpenFOAM，模擬汽車在140 km/h速度，偏航角0°下的工況，仿真時(shí)間為0.2 s，并且設(shè)定外流場(chǎng)在0.1 s后穩(wěn)定，在0.1 s時(shí)開(kāi)始記錄車窗表面脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)。

汽車表面脈動(dòng)壓力是由渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，通過(guò)仿真模擬計(jì)算湍流云圖，如圖3所示，可知流體在后視鏡、A柱、輪胎等區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣流分離，形成了不同尺度的渦流，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)，車身表面脈動(dòng)壓力一方面會(huì)通過(guò)湍流脈動(dòng)激發(fā)車結(jié)構(gòu)振動(dòng)向車內(nèi)輻射噪聲，另一方面會(huì)以偶極子和四極子聲源的形式向外輻射聲場(chǎng)，并向車內(nèi)輻射。由圖3可知，由于氣流在后視鏡和A柱表面發(fā)生分離，脫落的渦拍打著側(cè)窗玻璃，側(cè)窗位置區(qū)域的湍流脈動(dòng)和聲場(chǎng)較強(qiáng)，另外窗玻璃是傳聲薄弱環(huán)節(jié)，并且駕乘人員離此位置最近，因此，氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)貢獻(xiàn)最大且最直接的路徑是車窗玻璃。

圖3 整車渦量圖

3 數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析

由于氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)貢獻(xiàn)最大且最直接的路徑是車窗玻璃，所以選擇研究車型的前后車窗作為對(duì)標(biāo)分析的對(duì)象。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

每款車前后側(cè)窗都分別布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。然而對(duì)于前側(cè)窗而言，靠近A柱和后視鏡附近的區(qū)域因?yàn)橥牧鲃×遥瑢?duì)計(jì)算精度的要求較高，為了對(duì)標(biāo)方法的精確性，重點(diǎn)考察A柱附近的湍流變化，所以沿著A柱方向均勻布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為1，2，4，6，9號(hào)點(diǎn)，另外7個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻布置在前側(cè)窗其他區(qū)域。對(duì)于后側(cè)窗而言，湍流相對(duì)平緩，12個(gè)測(cè)點(diǎn)均勻分布在后側(cè)窗區(qū)域。SUV的前后側(cè)窗測(cè)點(diǎn)布置與轎車的前后側(cè)窗測(cè)點(diǎn)布置類似。

圖4 表面脈動(dòng)壓力傳感器位置

由于測(cè)點(diǎn)較多，表面脈動(dòng)壓力傳感器很難同時(shí)布置，所以將12個(gè)傳感器分為3組。圖5為一組表面脈動(dòng)壓力傳感器試驗(yàn)和仿真模型。

圖5 表面脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

側(cè)窗表面脈動(dòng)壓力的試驗(yàn)測(cè)試選擇在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是3/4開(kāi)口回流式風(fēng)洞，其噴口三邊自由一邊接地。測(cè)試時(shí)將試驗(yàn)車放在風(fēng)洞駐室試驗(yàn)段天平轉(zhuǎn)盤的中心位置固定。試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)洞邊界層抽吸和移動(dòng)帶系統(tǒng)關(guān)閉。

3.3 對(duì)標(biāo)分析

車窗玻璃區(qū)域附近不僅存在湍流成分，還伴有聲的成分，應(yīng)用聲壓級(jí)水平（Sound Pressure Level，SPL）已經(jīng)無(wú)法表示這種近場(chǎng)的流場(chǎng)的信息，因此，本文提出用脈動(dòng)壓力水平（Pressure Fluctuating Level，PFL）表示車窗玻璃處的表面脈動(dòng)信息，公式如下：

對(duì)兩款車每個(gè)車窗12個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬和試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)一致，且誤差在可接受范圍內(nèi)（2dB（A））。受文章篇幅所限，本文只列出了前車窗的3個(gè)測(cè)點(diǎn)（1，3，4）和后車窗的2個(gè)測(cè)點(diǎn)（1，3）。前車窗選擇的3個(gè)測(cè)點(diǎn)主要是靠近A柱和后視鏡相互作用的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)A柱產(chǎn)生明顯的分離，湍流劇烈，計(jì)算難度較大，對(duì)計(jì)算精度要求高；隨著氣流的運(yùn)動(dòng)，氣體在后車窗的湍流程度已經(jīng)明顯減弱，后車窗選擇的2個(gè)測(cè)點(diǎn)靠近B柱。對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖6～10所示。

轎車前車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖6所示，SUV前車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖7所示。

圖6 轎車前車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果

由圖6、圖7可知，兩款車型前車窗表面脈動(dòng)壓力的仿真模擬計(jì)算與測(cè)試結(jié)果基本一致（100～10 000 Hz）。圖6a、圖6b在6 400～10 000 Hz頻段內(nèi)存在一定的偏差，試驗(yàn)結(jié)果高于仿真結(jié)果。轎車后視鏡安裝在車窗玻璃上，A柱和后視鏡之間相互作用區(qū)域，湍流劇烈，而且從圖4的測(cè)點(diǎn)分布可以看出，1點(diǎn)和3點(diǎn)靠近A柱和后視鏡湍流最為劇烈的區(qū)域。仿真精度受到網(wǎng)格尺寸的限制，沒(méi)有捕捉到更多的湍流信息。SUV車型后視鏡安裝在門上，后視鏡和A柱相互作用的湍流區(qū)域相對(duì)轎車更弱，所以在6 400 Hz以上仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

圖7 SUV前車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果

轎車后車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖8所示，SUV后車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖9所示。

圖9 SUV后車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果

由圖8～9可知，兩款車型后車窗表面脈動(dòng)壓力的仿真模擬計(jì)算與測(cè)試結(jié)果基本一致（100～10 000 Hz），誤差控制在2dB（A）內(nèi)。SUV車型后車窗3號(hào)測(cè)點(diǎn)在6 400 Hz以上，仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，后車窗3號(hào)點(diǎn)離前車門把手距離較近，在整個(gè)網(wǎng)格劃分中并沒(méi)有對(duì)門把手進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而且也沒(méi)有網(wǎng)格加密，造成3號(hào)點(diǎn)在6 400 Hz以上的湍流信息捕捉不完整，出現(xiàn)對(duì)標(biāo)偏差。

圖8 轎車后車窗測(cè)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果

總體而言，兩款車型測(cè)點(diǎn)的表面脈動(dòng)壓力仿真與測(cè)試結(jié)果基本一致，最大誤差控制在2dB（A）范圍內(nèi)，這說(shuō)明本文基于SST-DDES湍流模型，采用開(kāi)源軟件OpenFOAM進(jìn)行整車外流場(chǎng)模擬的方法是可行且準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

采用SST-DDES湍流模型對(duì)標(biāo)兩款不同汽車的前后側(cè)窗表面脈動(dòng)壓力，可得出具體結(jié)論如下：

（1）采用SST-DDES湍流模型對(duì)兩款車型前后車窗24個(gè)測(cè)點(diǎn)的車窗表面脈動(dòng)壓力進(jìn)行仿真模擬，其仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致（100~10 000 Hz），誤差控制在2dB（A）內(nèi)。

（2）A柱和后視鏡相互作用的區(qū)域，湍流劇烈且復(fù)雜，受網(wǎng)格尺寸的限制，仿真與試驗(yàn)結(jié)果在6 400 Hz以上對(duì)標(biāo)精度存在偏差，但在可接受的誤差范圍內(nèi)。

（3）網(wǎng)格和加密區(qū)的設(shè)置可能是影響仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)精度的關(guān)鍵因素，后續(xù)研究會(huì)從網(wǎng)格方向重點(diǎn)考察，這也是SST-DDES湍流模型的核心內(nèi)容，即引入延遲函數(shù)，解決網(wǎng)格的誘導(dǎo)分離。

本文提出的SST-DDES湍流模型對(duì)汽車外流場(chǎng)表面脈動(dòng)壓力進(jìn)行了精確模擬，這也為后續(xù)車內(nèi)噪聲的模擬奠定了基礎(chǔ)，下一步工作是基于統(tǒng)計(jì)能量方法研究氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲的傳遞路徑和貢獻(xiàn)量。