鏤空鏡柄的氣動聲學優化及試驗

莊 嚴,周瑋瑋,付 杰,段孟華,高 磊,王慶洋

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122;2.奇瑞汽車股份有限公司, 安徽 蕪湖 402160)

0 引言

車輛在高速工況下的噪聲主要體現為氣動噪聲,嚴重影響駕乘舒適性。在如今的“新四化”時代,電動汽車的車內靜謐性和續航里程備受消費者關注,良好的駕乘感將大大提升產品的市場競爭力,因此控制和優化氣動噪聲是各大主機廠均非常重視的。

研究表明氣流分離是產生風噪的主導因素,汽車外造型面氣流貼體性差、表面的局部凸起或外置件,以及特定造型風格套件的不合理應用等等,都會導致氣流分離,產生高湍流強度的空氣渦流,進而發展為令人厭煩的氣動噪聲。為了解決這種由造型引起的風噪問題,學者們多注重理論方法的研究,比如王毅剛等[1]以渦聲理論為基礎,將氣動聲源等效為無數微球形聲源組,然后利用聲輻射和流場物理量子之間的關系,對氣動噪聲源進行識別,日本學者以沒有聲學反饋為前提的流/聲分離技術來計算近場聲源仿真[2],還有外國學者同時考慮流動和聲振,采用混合CAA(computational aero-acoustics)的方法對后視鏡氣動聲學進行優化和試驗[3]。工程師們多從解決實際問題出發,注重工程參數和方案的優化。從外造型角度,徐鵬等[4]從解決A柱棱線分離情況來降低風噪;覃炳恒等[5]通過對A柱型面優化,得出改善風噪的A柱參數;王亓良等[6]對車身簡化模型的試驗研究表明A柱渦區內的高頻風噪衰減較快。從特定造型風格角度,秦玲等[7]從流動機理出發,對鏤空尾翼的造型進行聲學優化,改善了后排乘客的舒適性;Raghu等[8]從車體造型表面凸起物而言,后視鏡作為車身表面最大的凸起物,且緊鄰乘員艙,必然成為學者和工程師重點關注的對象,某團隊采用計算流體力學和統計能量法對后視鏡進行仿真分析,得到了后視鏡安裝在車門上比安裝在三角窗上更安靜舒適;劉海軍等[9]通過試驗的方法獲得后視鏡鏡臂長度參數的控制技術,來改善車內噪聲環境;李啟良等[10]通過對后視鏡3個形狀參數和2個角度參數的研究發現,除旋轉角度外,增加其他4種參數均有利于降低后視鏡產生的氣動噪聲;關鵬等[11]的研究表明,安裝于三角窗區域的電子后視鏡對整車風噪的改善并不明顯,其影響噪聲源主要是通過對A柱尾渦結構實現的。

誠然,上述學者及工程師們的研究多基于相對傳統的后視鏡,對于鏤空鏡柄的氣動和聲學研究卻鮮有提到,原因有二:一是氣流經鏡柄的鏤空結構時更容易產生嘯叫,且當前嘯叫只能通過試驗來排查和改善[12],二是競品車型相對較少,沒有足夠的開發經驗積累。本文中采用目前工程中常用的流體計算與聲學計算軟件,對某自主品牌純電動轎車后視鏡獨特的鏤空鏡柄造型,進行仿真分析和優化,并依據風洞試驗測試數據來驗證仿真的可靠性和優化方案的可行性,以達到低風噪性能的開發要求。

1 氣動仿真方法

本文中采用的仿真流程分2步:1) 在CFD(computational fluid dynamics)軟件中采用不可壓流動方程和聲學擾動方程,對整車CAS數據進行非定常外流場耦合計算,得到主駕側窗表面的流致壓力脈動和聲致壓力脈動數據;2)將壓力脈動數據導入到NVH(noise、vibration、harshness)軟件中,進行傅里葉變換和波束分解處理,得到對應的激勵數據,然后把對應的激勵加載到整車聲學模型中,基于統計能量計算求解得到車內聲壓級和語音清晰度結果,具體流程見圖1所示。

圖1 仿真流程框圖

2 模型及Base流場分析

2.1 仿真模型

數值計算的幾何模型如圖2所示,車速為140 km/h,設置3層加密域,最小加密域位于A柱-側窗-后視鏡區域,網格尺寸為2 mm,該加密區域添加了聲學擾動控制方程,用來捕捉后視鏡渦脫及聲學激勵,同時為充分考慮邊界層對仿真結果的影響,除在精細加密域內設置8層2 mm厚的棱柱層網格外,在整個車身外表面也設置了精細的邊界層,幾何模型嚴格按照中國汽研標準來處理,保證面網格分布均勻合理無畸變的情形下,最終總體網格數量約為5 500 萬。

圖2 原始仿真幾何模型

2.2 原始狀態流場分析

基于SST(menter)k-ω湍流模型的穩態流場對原始模型進行計算,從湍動能云圖如圖3(a)所示,上下殼體氣流貼體性較好,但鏡柄后方湍動能耗散能量較高,除引起氣流擾動直接作用于側窗玻璃,形成流致噪聲源外[13],也將本體產生的渦旋能量向四周輻射,形成聲致噪聲源[14],圖3(b)為垂直鏡柄截面的速度矢量云圖,可以看出氣流經過鏤空鏡柄時,在每個鏡臂后都產生了一個類卡門渦階,同時由于鏡柄鏤空處呈縮口狀,使穿過鏡柄的氣流速度分布不均,在出口呈現被加速的情形,高速氣流朝向側窗流動,增大了側窗流至聲源的來源;當高速氣流流經內外鏡臂時,內鏡臂的氣流貼體性較好,尾部分離區很小,但外側鏡臂的不合理角度,使得氣流在經過外鏡臂時,在其后方產生了2個渦旋,因分離點的不同,渦旋中心呈一遠一近一左一右分布在鏡臂后方,形成大而長的分離區,帶來大范圍的氣流擾動,增大了側窗聲致聲源的來源,對風噪聲極為不利。

圖3 原造型流場云圖

通過流場分析可知,該鏡柄造型存在明顯的對氣動聲學不利的設計缺陷,亟需優化整改。

3 鏡柄優化改進

考慮原模型的結構特點,依據原始模型的流場信息,給出了2組改進方案:方案1,保證內側鏡臂不動,將外側鏡臂繞著氣流切入點向外側旋轉一定角度,且減小末端圓角,使內外側鏡臂呈現平行趨勢,以盡可能增大氣流在該表面的貼體性;方案2,同時轉動內外側鏡柄的角度,并適當減薄內外側鏡臂的厚度,期望更進一步改善氣流在鏡臂末端的分離情況。2種改進方案都在一定程度上減小了鏤空的入口,增大了鏤空的出口,方案2體現得更為徹底,具體鏡臂方案切面示意見圖4所示。

圖4 優化方案切面示意圖

圖5(a)(b)分別展示了2種優化方案的湍動能和速度卷積云圖。方案1流場顯示,隨著鏡臂角度的調整,氣流分離點延后,由于角度并未調整到最優,致使氣流并未在鏡臂末端分離,而是在鏡臂中間某點開始分離,總體來看,分離之后氣流并未遠離鏡臂,大幅改善了外側鏡臂表面及后方的尾渦形態,最終外側鏡臂的氣流渦旋消失,整個鏡柄后方的湍動能強度減弱,體積減小;同時鏤空喇叭口狀態弱化,鏤空處氣流流速均勻性提升,而且氣流方向也由指向側窗變為平行遠離側窗發展,對改善風噪極為有利。

圖5 優化方案流場云圖

方案2流場顯示,氣流進入鏡臂時,展示了較高的貼體性,充分貼合內外側鏡臂表面流動,氣流分離點延遲到了鏡臂末端,同時由于鏡臂厚度的減薄,使其尾部的氣流分離不能形成一個完整的渦旋中心,最終表現為渦旋消失,分離區急劇減小,鏡柄后方的湍動能耗散幾近消失;內外鏡臂的平行度較高,且呈現一前一后的布置形態,氣流在進入鏤空處之后不僅表現出高度的流速均勻性,而且流動方向也朝著遠離側窗的方向流出,達到預期效果。

圖6為瞬態計算結果經時頻轉換并波數分解后加載到NVH軟件中得到的車內駕駛員左耳處1/3倍頻A計權總聲壓級曲線,其中聲學模型的混響、隔聲由對應的油泥聲學艙模型實測而來,其他聲學包材料及玻璃屬性均來自工程輸入。最終內場結果為:方案1聲壓級降低0.5 dBA,語音清晰度提升0.7%;方案2聲壓級降低0.7 dBA,語音清晰度提升1.4%。從曲線可以看出,優化方案與原始方案整體趨勢較為一致,曲線的差異多集中于中高頻段,結合內場聲壓級和語音清晰度數據,可以得出鏡柄的優化多集中在中高頻段,鏤空鏡柄的氣流分離對語音清晰度的影響更大,遠離側窗的氣流波動所帶來的風噪問題,其聲致要比流致對語音清晰度的貢獻量更大。

圖6 駕駛員左耳處總聲壓級頻譜曲線

4 風洞試驗

4.1 試驗準備

為了驗證仿真的準確性、可信度和方案的實際貢獻量,本次試驗制作了1∶1的聲學艙油泥模型,艙內采用雞蛋棉進行包裹,在排除異響及泄露之后,對該模型進行風洞測試。測試準備時,艙內布置4個數字人工頭,以對內場數據進行采集,布置位置見圖7所示,車外聲源識別采用由德國GFai公司提供的麥克風三維陣列(3×168通道),對外場聲源進行采集、定位和成像,采樣頻率為48 kHz,外場麥克風陣列如圖8所示。

圖7 聲艙人工頭布置

圖8 外場麥克風陣列

4.2 試驗結果分析

4.2.1 原造型及優化方案測試結果

圖9為原始方案在0°偏航角、風速140 km/h工況下的測試結果,測試曲線顯示在2 790 Hz存在尖銳峰值,經聲學耳機回放,能聽到尖銳的刺耳聲音。經現場檢查模型表面、安裝等無其他異常后經復測,曲線保持高度一致性,對外場聲學麥克風陣列采集的兩側及頂面聲源信息進行計算和映射數模[15],最終成像結果定位到該頻率段下聲源位于后視鏡殼內側面,如圖10所示,而非鏤空鏡柄所產生。考慮到方案的本身材質和對流場的影響不同,決定繼續進行方案的試驗驗證。

圖9 原造型內場聲壓級測試結果

圖10 原造型外場聲學成像測試結果

圖11為優化方案的測試結果,從最終的數值結果看,方案1對聲壓級和語音清晰度的改善量為0.21 dBA和1.5%,方案2的改善量為0.18 dBA和1.5%。對比圖中原方案與優化方案測試結果的差值可以看出,2個方案的差值在中高頻段都基本為正,說明2個方案均能有效改善風噪水平,改善量均集中在中高頻段,與仿真結果較為一致。但方案2在同頻段仍然存在尖峰,僅峰值有所降低,而方案1卻消除了峰值,這在一定程度上說明不同方案帶來的流場差異也是可以有效消除嘯叫的。由于峰值帶有較大的能量,對方案的貢獻量有影響,消除嘯叫對最終結果仍有提升空間,故決定排查并解決方案2的嘯叫。

圖11 優化方案內場聲壓級測試結果

4.2.2 嘯叫問題排查

查看方案2的聲學麥克風陣列成像,經定位峰值頻率,聲源問題依然存在于后視鏡殼內側面,這與峰值頻率的重合不謀而合。試驗中常見的嘯叫有3種:表面過于光滑、有狹縫存在和試驗樣件安裝異常。基于此,首先檢查樣件安裝無異常后,結合聲學成像結果,現場制定了2種措施:一是在后視鏡殼內表面采取增加縱向擾流條,二是貼黑色膠帶來增大表面粗糙度。前者試圖通過鏡殼表面的凸起引發層流到湍流的轉捩來消除峰值,后者則嘗試增大摩擦來改變氣流在鏡殼表面的貼合度使層流失穩,進而達到消除峰值的目的,具體方案實施如圖12所示。

圖12 峰值解決方案

從圖13的測試結果可以看出,原數據與方案的差值在峰值附近均為正,說明2種措施都有效解決了該頻段下的嘯叫,且聲學陣列成像(見圖14)也都未再次定位到其他嘯叫信號,復聽聲學耳機采集的數據,也均未聽到尖銳的聲音,與此同時,方案2的聲壓級和語音清晰度也進一步得到改善:擾流條的貢獻量為0.03 dBA和0.4%,改變粗糙度的貢獻量為-0.02 dBA和0.6%。由此可以看出,通過增加擾流條或增大模型表面粗糙度都可以使表面氣流發生層流到湍流的轉捩,進而消除峰值,但本次擾流條方案卻增大了聲壓級,整體效果不如增大表面粗糙度方案。為了確保其他工況下也不存在嘯叫,對貼膠帶方案的不同偏航角工況進行了測試,均未發現嘯叫,具體測試結果見圖15所示。

圖13 峰值排查:內場聲壓級測試結果

圖14 優化方案2:貼膠帶外場聲學成像測試結果

圖15 優化方案2:貼膠帶+不同偏航角下測試結果

上述方案測試曲線中對峰值頻段的定向消除,不僅展示了聲學麥克風三維陣列成像對異常信號定位結果的準確性,也側面體現了本次風噪測試的可重復性和高度一致性,與此同時,仿真不能發現和排查的嘯叫問題,通過試驗能很好地排查和解決。

5 結論

通過對原始模型進行仿真優化,并結合全比例聲學艙油泥模型風洞測試結果,得到以下結論:

1) 2個優化方案都能有效提升風噪品質,其中方案1的貢獻量為0.21 dBA和1.5%,經排除峰值后,方案2的貢獻量可達到0.20 dBA和2.1%。

2) 鏡柄的型面與來流方向盡可能貼合,鏤空進出口大小相近,可以減少或推遲鏡柄表面的氣流分離,改善鏡柄尾渦,從而提升后視鏡的風噪性能。

3) 采用三維麥克風陣列聲源定位技術在聲學艙的風洞試驗中不但能發現并準確定位嘯叫,規避仿真所不能體現的風噪問題,而且能更加客觀真實地評價聲學艙內的風噪水平。

4) 嘯叫問題可以通過風洞試驗進行準確定位排查,在試驗過程中可以用改變表面粗糙度或增加擾流條或替換方案等方法來快速而有效地解決嘯叫問題。

5) 仿真結果與試驗結果的一致性較好,能準確預測方案的有效性,可以有效地指導實際工程開發項目,大大節約風噪開發的成本和時間。

6) 本次探究對帶有鏤空鏡柄的后視鏡風噪優化有一定的工程指導意義。