汽車引擎蓋后緣角度對車外氣動噪聲的影響

張亮，高繼東，郝劍虹，劉學(xué)龍，徐辰

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汽車引擎蓋后緣角度對車外氣動噪聲的影響

張亮1，高繼東2，郝劍虹2，劉學(xué)龍2，徐辰2

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

汽車高速行駛時的氣動噪聲成為用戶抱怨的主要問題之一?，F(xiàn)今對于車外氣動噪聲的研究主要集中于后視鏡區(qū)域，對于來流方向的汽車引擎蓋的研究相對較少。文章運用star ccm+ 穩(wěn)態(tài)分析方法，對比引擎蓋-4.5°、0°和4.5°三種后緣角度的流場特性，分析其對于前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗區(qū)域氣動噪聲的影響。結(jié)果表明，引擎蓋后緣角度對前擋風(fēng)玻璃區(qū)域的氣動噪聲影響很大，對于側(cè)窗區(qū)域氣動噪聲有一定影響，4.5°后緣角度對前擋風(fēng)玻璃區(qū)域有較好的降噪效果。

氣動噪聲；引擎蓋；后緣角度；前擋風(fēng)玻璃；側(cè)窗

前言

隨著電動汽車的迅速發(fā)展，發(fā)動機噪聲在電動汽車上已不復(fù)存在，汽車在高速行駛狀況下，除了輪胎噪聲外，汽車的氣動噪聲成為汽車首要噪聲源。氣動聲學(xué)風(fēng)洞可以捕捉汽車車內(nèi)外的噪聲源，測量出汽車車內(nèi)外的噪聲水平，但在早期的汽車造型設(shè)計階段，需要縮比模型等才能實現(xiàn)，不僅過程繁雜、周期長，而且代價昂貴。而仿真方法周期短、更新快、花費低，所以在造型初期運用仿真方法分析車內(nèi)外噪聲并進(jìn)行優(yōu)化控制至關(guān)重要。汽車瞬態(tài)風(fēng)噪仿真耗費計算資源十分巨大，需要大型服務(wù)器計算數(shù)日后才能得到一條頻譜曲線，但也未必能與實驗風(fēng)噪頻譜進(jìn)行有效的比較。對于穩(wěn)態(tài)仿真，雖然不能得到噪聲頻譜信息，但其計算快，耗費資源少，能快速有效地預(yù)測不同造型對于氣動噪聲的影響。對于用穩(wěn)態(tài)分析方法探究氣動噪聲，國內(nèi)有一些相關(guān)研究。王俊等人運用穩(wěn)態(tài)分析方法分析了A柱造型因素在側(cè)風(fēng)狀態(tài)下對于汽車風(fēng)噪水平的影響[1]；孟繁桐等人運用穩(wěn)態(tài)分析方法探究了一系列網(wǎng)格參數(shù)對風(fēng)噪結(jié)果的影響[2]。

本文針對某車型引擎蓋，從造型因素入手，通過改變引擎蓋后緣角度分析其對于前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗區(qū)域速度、壓力及表面聲功率級的影響，發(fā)現(xiàn)加大引擎蓋后緣角度有利于前擋風(fēng)玻璃區(qū)域氣動噪聲的降低，對于側(cè)窗區(qū)域的氣動噪聲有一定影響，進(jìn)而為汽車氣動噪聲優(yōu)化提供參考。

1 理論方法

研究表明，汽車氣動噪聲聲能量是在一個寬頻段范圍內(nèi)連續(xù)分布的，而且主要噪聲源是自身表面非定常壓力導(dǎo)致的偶極子聲源[3]。Curle[4]噪聲源模型可以用來預(yù)測低馬赫數(shù)流動中固體表面邊界層內(nèi)的偶極子噪聲，所以本文采用寬頻帶噪聲源模型-Curle噪聲源模型，源模型參數(shù)由雷諾時均法（RANS）提供。

Curle方程為：

公式中：p代表密度脈動值，a0代表遠(yuǎn)場聲速，x代表固體表面位置，y代表評估噪聲的點，n代表壁面法向量。

對于每單位面積聲能量的當(dāng)?shù)刎暙I(xiàn)量評價，表面聲能量或SAP由如下公式計算得到：

2 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

為了減少計算量及加快計算的收斂性，將該車的底盤及輪胎進(jìn)行簡化，格柵進(jìn)行了封堵，對于工藝間隙進(jìn)行了人工密封，其它暴露在外流場中的特征幾乎與原車模型保持一致。整車面網(wǎng)格在hypermesh中完成，引擎蓋及后視鏡區(qū)域面網(wǎng)格最小尺寸為2mm，圖1為后視鏡區(qū)域面網(wǎng)格圖。計算模型放在長方體虛擬風(fēng)洞中，計算域總長為13倍車長，寬為11倍車寬，高為6倍車高。為了減少計算量的同時保證仿真分析的準(zhǔn)確性，對計算域進(jìn)行加密，共進(jìn)行了3層加密區(qū)的設(shè)定，在局部敏感區(qū)域后視鏡、A柱、前擋風(fēng)玻璃、引擎蓋等處進(jìn)行再次加密。邊界層共5層，增長率為1.3，保證了大部分區(qū)域y+在50左右。最終生成六面體體單元數(shù)量約為2600萬。模擬風(fēng)洞在X負(fù)方向的壁面設(shè)為入口邊界，入口邊界設(shè)為速度邊界，來流速度設(shè)為130km/h，風(fēng)向角為0°；與之相對的壁面設(shè)為壓力出口邊界，壓力設(shè)置為0Pa（相對于大氣壓）。地面設(shè)置為無滑移壁面，汽車模型設(shè)置為固壁無滑移壁面。風(fēng)洞模型如圖2所示。圖3為汽車引擎蓋后緣不同翹起角度示意圖。

圖1 后視鏡區(qū)域面網(wǎng)格圖

圖2 風(fēng)洞模型圖

圖3 不同翹起角度示意圖

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

汽車前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗處的氣動噪聲是氣流撞擊到雨刷器、A柱及后視鏡后，氣流分離脫落，形成一系列的旋渦造成的。本文通過研究引擎蓋區(qū)域的氣流變動對氣動噪聲的影響，找到其內(nèi)在規(guī)律，降低汽車在前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗區(qū)域的氣動噪聲。

圖4 X截面的流場分布圖

圖4為改變引擎蓋后緣角度后雨刮器處的X截面的流場分布圖。從圖中可以看出，不同引擎蓋角度對該處氣流有較大影響。相對于0°引擎蓋后緣，4.5°引擎蓋使后緣處氣流速度增加并上揚，減少了對雨刮器的直接沖擊，使雨水槽處及雨刮后側(cè)氣流的流速減小。-4.5°引擎蓋后緣使該處氣流速度降低，但增加了對雨刮器直接沖擊的氣流，所以總體上讓雨水槽處及雨刮后部氣流的流速增加，進(jìn)而加劇了該處氣流的壓力脈動。

圖5 前擋風(fēng)玻璃區(qū)域的靜壓分布圖

圖5為前擋風(fēng)玻璃區(qū)域的靜壓分布圖。三種引擎蓋后緣角度引起的前擋風(fēng)玻璃上的壓力變化總體上具有一致性，但-4.5°及0°引擎蓋后緣氣流導(dǎo)致雨刮器后側(cè)的前擋風(fēng)玻璃上出現(xiàn)了較大面積的正壓，且壓力梯度變化較為明顯。而4.5°引擎蓋后緣在該區(qū)域的正壓區(qū)面積明顯減少，且正壓強度明顯降低，壓力梯度變化相對較弱。在雨刮器表面，-4.5°引擎蓋使雨刮器表面存在較大的正壓，說明雨刮器對與氣流的阻礙作用較大，0°及4.5°引擎蓋的雨刮器表面正壓逐漸降低，在雨水槽處的壓力強度同樣隨引擎蓋后緣角度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖6 前擋風(fēng)玻璃區(qū)域的表面聲功率級圖

圖6是前擋風(fēng)玻璃處的表面聲功率級圖。從圖中可以看出，雨水槽處的低聲功率級分布帶隨引擎蓋后緣角度的增加而增多。在雨刮器后側(cè)的前擋風(fēng)玻璃處，0°及-4.5°后緣角度的聲功率級分布沒有明顯差距，4.5°后緣角度的高聲功率級區(qū)域明顯減少。

汽車側(cè)窗區(qū)域的噪聲來源于后視鏡區(qū)域及A柱的氣流擾動，而這兩處的氣流大部分是從引擎蓋方向流入，所以改變引擎蓋后緣角度必然會影響側(cè)窗的氣動噪聲水平。圖7為后視鏡后側(cè)150mm處的X截面的速度云圖。

圖7 X方向截面速度云圖

由圖7可以看出，隨引擎蓋后緣角度的增加，在A柱區(qū)域的氣流速度高的區(qū)域也在增加，其中此處的最高速度的值也在增加，分別為50.6m/s、51.4m/s，52.0m/s。由此可見，引擎蓋角度的增加會對A柱區(qū)域氣流速度有顯著的增大效果。

圖8 后視鏡區(qū)域Z方向截面的速度云圖

圖8是后視鏡區(qū)域Z截面的速度云圖。三種角度在后視鏡與三角蓋板之間的通道處的最大速度分別是67.1m/s、67.1m/s，67.0m/s，雖然最高速度沒有顯著減少，但從圖8中可以看出，4.5°引擎蓋后緣角度模型在該處的高速區(qū)域面積明顯減少，明顯改善了該區(qū)域的流場狀態(tài)。

圖9 側(cè)窗玻璃的表面聲功率級圖

圖9是側(cè)窗玻璃的表面聲功率級圖。由三幅圖對比可以看出，在直線以下的區(qū)域，隨引擎蓋后緣角度的增加，表面聲功率級較大的區(qū)域有依次減小的趨勢，說明在該區(qū)域氣動噪聲有逐漸變好的趨勢。在直線上方，隨角度的增加，聲功率級較大區(qū)域有顯著的增加趨勢。這與前文流場分析趨勢相吻合。

4 總結(jié)

本文通過穩(wěn)態(tài)流場分析發(fā)現(xiàn)，處于汽車來流方向的引擎蓋后緣角度對前擋風(fēng)玻璃及側(cè)窗處的流場具有顯著的影響。結(jié)論如下：

（1）引擎蓋后緣角度的增加使引擎蓋后緣氣流上揚，減少了氣流對于雨刮器的直接沖擊，從而改善了前擋風(fēng)玻璃表面的氣動噪聲。

（2）引擎蓋后緣角度增加加速了A柱區(qū)域氣流的流動速度，使A柱區(qū)域湍流脈動加劇，提高了側(cè)窗上側(cè)部分的氣動噪聲。

（3）引擎蓋后緣角度增加減小了后視鏡鏡殼與三角蓋板之間通道的流動速度較大區(qū)域，進(jìn)而減小了側(cè)窗下側(cè)部分的氣動噪聲。

[1] 王俊,龔旭,張濤,等.某車型A柱風(fēng)噪優(yōu)化研究[J]汽車技術(shù):2015, 41-44.

[2] 孟繁桐,盛玲波,孫詩怡.網(wǎng)格設(shè)置對穩(wěn)態(tài)風(fēng)噪結(jié)果影響[c]2018汽車NVH控制技術(shù)國際研討會,蘇州:2018,234-241.

[3] 陳鑫,馮曉,沈傳亮等.車外后視鏡造型對氣動噪聲影響的實驗研究[J]汽車工程:2017（2）,206-213.

[4] Curle N. The influence of Solid Boundaries Upon Aerodynamic Sound. Proceedings of the Royal Society, London, 1955, A231:505 -514.

Effect of trailing edge angle of vehicle engine hood on external aerodynamic noise

Zhang liang1, Gao Jidong2, Hao Jianhong2, Liu Xue long2, Xu chen2

( 1.Hebei University of Technology, Tianjin 300401; 2.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd, Tianjin 300300 )

The aerodynamic noise of vehicles at high speed has become one of the main complaints of users. At present, the research on external aerodynamic noise mainly focuses on the mirror area, and the research on the automobile engine hood in the direction of flow is relatively few. In this paper, the star ccm+ steady analysis is used to compare the flow field characteristics of three kinds of trailing edge angle , -4.5, 0, and 4.5 degree, and to analyze the aerodynamic noise effects on the front windshield and side window area. The results show that the trailing edge angle has a great effect on the aerodynamic noise of the front windshield area, and has a certain effect on the aerodynamic noise of the side window area. The angle of 4.5 degree has a good performance on the windshield area.

aerodynamic noise;engine hood;trailing edge angle;windshield;side- window

1671-7988(2018)22-111-03

U467.1

B

1671-7988(2018)22-111-03

U467.1

B

張亮，男，河北工業(yè)大學(xué)，車輛工程在讀碩士，汽車風(fēng)噪。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.039