汽車天窗風(fēng)振噪聲的數(shù)值仿真研究

夏廣飛，張莉

（1.江淮汽車技術(shù)中心乘用車研究院，安徽 合肥 230009；2. 江淮汽車技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開發(fā)研究院，安徽 合肥 230009）

引言

近年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)系噪聲和胎噪的有效控制，以及汽車速度的不斷提升，氣動(dòng)噪聲對(duì)汽車整體噪聲的影響愈加明顯。汽車開天窗或開側(cè)窗時(shí)，產(chǎn)生的風(fēng)振噪聲是氣動(dòng)噪聲的一個(gè)重要組成部分。它的頻率在20Hz左右、強(qiáng)度高在100dB以上，雖然它不易被人耳聽到，但它產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力卻使乘客感到煩躁和疲倦，這對(duì)汽車的舒適性有很大影響。因此，汽車風(fēng)振噪聲已成為各大主機(jī)廠和廣大消費(fèi)者關(guān)注的主要問題之一。

關(guān)于汽車風(fēng)振噪聲的研究始于20世紀(jì)60年代[1]，早期研究多借助風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)嵻嚨缆吩囼?yàn)，周期長(zhǎng)且投入巨大。

20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于汽車風(fēng)振噪聲的研究。1994年，Ota等[2]采用CFD仿真的方法對(duì)二維汽車模型的天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了研究。2002年，Karbon等[3]借助PAM-FLOW對(duì)汽車天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行CFD仿真研究，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。2004-2007年，克萊斯勒的安長(zhǎng)發(fā)博士等[4-8]對(duì)汽車的側(cè)窗和天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了一系列研究，并提出了B柱開槽、調(diào)整導(dǎo)流板尺寸和安裝角度以等風(fēng)振噪聲控制措施。國內(nèi)對(duì)汽車風(fēng)振噪聲的研究始于2007年，湖南大學(xué)的谷正氣等[9]將風(fēng)振噪聲這一概念引入國內(nèi)。此后，湖南大學(xué)的汪怡平、楊振東等人[10、11]對(duì)汽車的天窗和側(cè)窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了較為研究。

本文針對(duì)某車型存在的天窗風(fēng)振噪聲問題，利用CFD仿真的方法對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)比道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性。通過對(duì)比研究未添加導(dǎo)流板和添加導(dǎo)流板兩種情況的天窗風(fēng)振噪聲，闡釋了導(dǎo)流板抑制天窗風(fēng)振噪聲的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了導(dǎo)流板的改進(jìn)建議。

1 數(shù)值仿真方法

1.1 控制方程及湍流模型

對(duì)于天窗風(fēng)振噪聲這一瞬態(tài)問題，本文采用大渦模擬（LES）對(duì)其進(jìn)行CFD仿真研究。LES的控制方程如下：

運(yùn)動(dòng)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：t為時(shí)間；xi、xj為坐標(biāo)軸分量，ρ為密度，ui、uj為過濾后對(duì)的速度分量；p為過濾后的壓強(qiáng)；τij為壓個(gè)子尺度應(yīng)力。

為使控制方程封閉，當(dāng)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(nèi)克系數(shù)；μt為壓個(gè)子湍流粘性系數(shù)；τkk為各項(xiàng)同性的亞格子尺度應(yīng)力；Sij為求解尺度下的應(yīng)變率張量分量，定義為：

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖1 內(nèi)飾及假人模型

天窗風(fēng)振噪聲要研究天窗開啟情況下車外和車內(nèi)的流場(chǎng)信息，因此，除汽車外部模型外，還需要汽車的內(nèi)飾模型。同時(shí)，為與道路實(shí)驗(yàn)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(shí)行駛環(huán)境，在汽車外部添加長(zhǎng)55m，寬28m，高14m的虛擬風(fēng)洞，車身前端到虛擬風(fēng)洞的距離為14m。

網(wǎng)格尺寸的好壞，直接影響仿真求解的精度和時(shí)長(zhǎng)，這里選用切割體進(jìn)行劃分。在天窗及車身周圍等重點(diǎn)考察區(qū)域設(shè)置多個(gè)加密區(qū)（如圖2），其中天窗附近的網(wǎng)格尺寸為4mm。同時(shí)，為準(zhǔn)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(wǎng)格厚度為1mm，增長(zhǎng)率為1.2的邊界層網(wǎng)格。最終，整個(gè)計(jì)算域流體網(wǎng)格的數(shù)目為1500萬左右。

圖2 天窗附近的CFD網(wǎng)格

1.3 仿真設(shè)置

本文的數(shù)值仿真是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，因此需要在邊界處設(shè)置與實(shí)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(shè)置

本文在進(jìn)行瞬態(tài)仿真之前，首先利用 Realizable k-ε模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，并以穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果作為瞬態(tài)仿真的初值。瞬態(tài)仿真中的湍流模型選取 LES，時(shí)間步長(zhǎng)是瞬態(tài)仿真中一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，為捕捉天窗開口處的脫落渦，選取0.002s的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行仿真，內(nèi)部迭代步數(shù)為15，仿真時(shí)長(zhǎng)為2s。

1.4 仿真方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文的仿真方法，進(jìn)行了實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)，道路實(shí)驗(yàn)的工況與數(shù)值仿真保持一致，車速同為50km/h。道路實(shí)驗(yàn)在A級(jí)路面上進(jìn)行，環(huán)境風(fēng)速小于2m/s，環(huán)境噪聲低于50dB。車內(nèi)駕駛員和副駕位置左右成員，麥克風(fēng)布置在駕駛員右耳附近，副駕處成員負(fù)責(zé)采集駕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3中，仿真結(jié)果的聲壓級(jí)峰值出現(xiàn)在17.7Hz處，大小為121.9dB；實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲壓級(jí)峰值出現(xiàn)在16.6Hz處，大小為 125.2dB。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了仿真方法的可行性。

圖3 仿真與實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果分析

為研究導(dǎo)流板對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的控制機(jī)理，本文分別仿真了汽車在未添加導(dǎo)流板與添加倒流板兩種情況下的天窗風(fēng)振噪聲。

圖4是在汽車未添加導(dǎo)流板與添加倒流板兩種情況下，仿真得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜。從圖中可以看出：未添加導(dǎo)流板情況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)峰值出現(xiàn)在18.2Hz處，大小為 129.9dB；添加導(dǎo)流板后，天窗風(fēng)振噪聲的峰值頻率基本不變，峰值下降了 8dB，說明導(dǎo)流板對(duì)天窗風(fēng)振噪聲有一定的控制效果。

圖4 未添加導(dǎo)流板與添加導(dǎo)流板的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜對(duì)比

為對(duì)導(dǎo)流板的降噪機(jī)理進(jìn)行研究，分別對(duì)比了未添加導(dǎo)流板和添加導(dǎo)流板兩種情況的速度云圖和渦量云圖。圖5a，未添加導(dǎo)流板情況下，某一時(shí)刻的速度云圖，圖5b為添加倒流板情況下，某時(shí)刻下的速度云圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：受導(dǎo)流板的影響，天窗前緣的氣流在通過導(dǎo)流板時(shí)發(fā)生上揚(yáng)，使得進(jìn)入車內(nèi)的氣流速度降低。圖6a，未添加導(dǎo)流板情況下，某一時(shí)刻的渦量云圖，圖6b為添加倒流板情況下，某時(shí)刻下的速度云圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：受導(dǎo)流板的影響，天窗前緣的氣流在通過導(dǎo)流板時(shí)發(fā)生上揚(yáng)，使得進(jìn)入車內(nèi)的渦量明顯減小。

圖5 某時(shí)刻下的速度云圖（m/s）（a.未添加導(dǎo)流板，b.添加導(dǎo)流板）

圖6 某時(shí)刻下的渦量云圖（/s）（a.未添加導(dǎo)流板，b.添加導(dǎo)流板）

由于導(dǎo)流板的存在，天窗前緣氣流發(fā)生上揚(yáng)，進(jìn)入車內(nèi)氣流的速度降低，渦量減小，車內(nèi)的壓力脈動(dòng)隨之減小，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的控制。

3 結(jié)論

本文借助現(xiàn)有的汽車三維模型對(duì)天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性。主要得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)比研究未添加導(dǎo)流板和添加導(dǎo)流板兩種情況，發(fā)現(xiàn)添加導(dǎo)流板后，汽車天窗風(fēng)振噪聲下降了8dB，導(dǎo)流板對(duì)天窗風(fēng)振噪聲有一定的控制效果。

（2）對(duì)比未添加導(dǎo)流板和添加導(dǎo)流板兩種情況的速度和渦量云圖，發(fā)現(xiàn)添加導(dǎo)流板后，來自天窗前緣的氣流通過導(dǎo)流板時(shí)發(fā)生上揚(yáng)，使得通過天窗進(jìn)入車內(nèi)的渦旋強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致天窗風(fēng)振噪聲有所削弱。

本文中添加導(dǎo)流板后，天窗風(fēng)振噪聲有所降低，但仍然在120dB左右，風(fēng)振噪聲還較為顯著，在下一段的研究工作有必要在認(rèn)識(shí)了導(dǎo)流板的控制機(jī)理的基礎(chǔ)上，合理調(diào)整導(dǎo)流板的尺寸和安裝位置，以期達(dá)到更好的降噪效果。