汽車風(fēng)窗噪聲及風(fēng)振噪聲的機(jī)理及控制方法研究

摘 要：隨著車輛速度的不斷提高以及其他噪聲的有效控制，氣動(dòng)噪聲已成為高速車輛的主要噪聲源之一，嚴(yán)重影響了駕乘的舒適性，同時(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了極大的污染。本文針對(duì)消費(fèi)者最為關(guān)注的汽車風(fēng)窗噪聲和風(fēng)振噪聲以及噪聲計(jì)算當(dāng)中存在的問題提出了控制方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)振噪聲； 氣動(dòng)噪聲； 壓力脈動(dòng)

中圖分類號(hào)：U461.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2016）03-190-001

本文旨在尋求精確求解氣動(dòng)噪聲源的計(jì)算方法，分析風(fēng)窗噪聲及風(fēng)振噪聲的特性與產(chǎn)生機(jī)理，探索控制風(fēng)振噪聲的新方法，為降低車內(nèi)噪聲并提高乘坐舒適性提供可靠的理論依據(jù)及有效的研究方法。為此，通過對(duì)二維圓柱模型以及三維后視鏡模型的外部流場(chǎng)及聲場(chǎng)計(jì)算，得出適合鈍體模型外部氣動(dòng)噪聲計(jì)算的亞格子尺度模型；為提高對(duì)近壁面流動(dòng)模擬的精確度，引入壁面函數(shù)和準(zhǔn)κ-ε-v2/LES混合求解方式，并將前者用于簡(jiǎn)易鈍體模型的外部氣動(dòng)噪聲以及汽車風(fēng)振噪聲計(jì)算，后者用于復(fù)雜形體——汽車的外部風(fēng)窗噪聲求解；針對(duì)傳統(tǒng)天窗導(dǎo)流板存在的問題，提出了新型導(dǎo)流板，通過計(jì)算對(duì)該導(dǎo)流板控制噪聲的機(jī)理進(jìn)行了闡述，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該導(dǎo)流板的有效性；嘗試采用主動(dòng)控制的方法對(duì)天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行控制；將本文所取得的成果應(yīng)用到實(shí)際車型——“中氣”轎車。

本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1.低馬赫數(shù)下鈍體模型的外部氣動(dòng)噪聲屬于寬頻帶噪聲，主要由表面壓力脈動(dòng)所引起，而表面壓力脈動(dòng)是一種寬頻帶的壓力脈動(dòng)，其中低頻部分由大尺度的渦引起，高頻部分由小尺度渦運(yùn)動(dòng)引起。而在大渦模擬當(dāng)中，小尺度渦由于被模化（即所謂的SGS模型）而無法直接進(jìn)行模擬，因此不同的SGS模型必然得到不同的壓力脈動(dòng)。

2.采用大渦模擬對(duì)汽車外部氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)，由于車身表面復(fù)雜的分離流與再附著流，采用簡(jiǎn)單的壁面模型已經(jīng)不能滿足實(shí)際計(jì)算的要求。一種融合了雷諾平均模型和大渦模擬模型優(yōu)點(diǎn)的RANS/LES混合模型應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)對(duì)RANS模型的選擇成為決定混合模型性能的關(guān)鍵。針對(duì)目前常用的RANS/LES存在的問題，嘗試采用三方程的κ-ε-v2湍流模型作為RANS/LES混合模型中的RANS部分，并且就κ-ε-v2存在的問題對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。得到了能用于汽車外部流場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)κ-ε-v2/LES混合模型。通過與當(dāng)前應(yīng)用較多的混合模型、大渦模擬模型以及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽車的外部瞬態(tài)流場(chǎng)。

3.在對(duì)低馬赫數(shù)下的天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行研究時(shí)，流體的可壓縮性是一個(gè)不可忽視的物理特性。但是如果采用完全可壓縮流體進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于馬赫數(shù)如此低的流動(dòng)，必將引起數(shù)值方法的剛問題，導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散。為此通過引入氣體狀態(tài)方程，從可壓縮流體的N-S方程入手，推導(dǎo)得出適合低馬赫數(shù)下的天窗風(fēng)振噪聲計(jì)算的弱可壓縮模型，這樣既考慮了流體的可壓縮性，又避免了數(shù)值計(jì)算的發(fā)散。將該模型應(yīng)用到簡(jiǎn)易類車廂天窗風(fēng)振噪聲的計(jì)算當(dāng)中，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性與可行性。

4.目前在天窗風(fēng)振噪聲的控制采用最多的方法就是安裝導(dǎo)流板，通過對(duì)傳統(tǒng)天窗導(dǎo)流板的風(fēng)洞測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速度超過一定的時(shí)候，傳統(tǒng)導(dǎo)流板就失效了。針對(duì)該問題，提出了一種新型導(dǎo)流板。并從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算仿真的角度對(duì)不同速度下新型導(dǎo)流板控制噪聲的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

5.通過對(duì)中氣轎車側(cè)窗開啟時(shí)的瞬態(tài)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，了解該車的側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性。研究不同側(cè)窗開啟，駕乘人員的個(gè)數(shù)，不同風(fēng)速，側(cè)窗開啟位置對(duì)駕駛員耳旁風(fēng)振噪聲的影響。針對(duì)后窗風(fēng)振噪聲過高的情況，采取相應(yīng)措施控制風(fēng)振噪聲。通過對(duì)天窗開啟時(shí)的瞬態(tài)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，了解該車的天窗風(fēng)振噪聲特性。通過安裝導(dǎo)流板和合理開啟天窗玻璃來控制風(fēng)振噪聲，并對(duì)導(dǎo)流板的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過對(duì)天窗玻璃開啟的不同位置所產(chǎn)生風(fēng)振頻率進(jìn)行分析，結(jié)合風(fēng)振產(chǎn)生機(jī)理推導(dǎo)出能有效預(yù)測(cè)天窗風(fēng)振噪聲頻率的經(jīng)驗(yàn)公式。

綜上所述，本文系統(tǒng)地對(duì)汽車風(fēng)窗噪聲以及風(fēng)振噪聲進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，對(duì)汽車氣動(dòng)噪聲的控制研究提供了可供參考的研究思路及方法。