基于連續(xù)伴隨的汽車后視鏡風噪敏感度分析方法

江 昊，柳 陽

（長安汽車工程研究總院，重慶 401120）

車輛高速行駛過程中，氣動噪聲是車內(nèi)主要噪聲源。主要由A柱和后視鏡的尾部湍流產(chǎn)生的聲波以及氣動壓力作用在側(cè)窗玻璃上傳入車內(nèi)。由后視鏡誘導產(chǎn)生的高能量漩渦能夠產(chǎn)生較強的外部噪聲和較大的流動沖擊[1]。在整車開發(fā)早期，通過數(shù)值模擬的方法可以預測車內(nèi)氣動噪聲及其源頭，優(yōu)化造型設計來改善車內(nèi)噪聲，并且能減少后期整改造型及強化吸隔聲帶來的高額成本。YAO Huadong等[2]采用通用后視鏡和簡易乘員艙模型對不同邊界條件下的車內(nèi)噪聲分析精度進行了研究，得出在高頻范圍，可壓縮LES模型的車內(nèi)噪聲要高于可壓縮DES模型。ASK[3]在后視鏡造型優(yōu)化設計過程中，主要通過對后視鏡周圍流場進行分析，根據(jù)經(jīng)驗判斷造型細節(jié)的優(yōu)劣并對其進行修改。這種方法在一定程度上會存在無效果或是負效果的情況，延長了優(yōu)化設計周期。近年來基于梯度求解的Adjoint方法在多參數(shù)優(yōu)化問題上取得了長足的進步。NADARAJAH等[4]和GILES等[5]對連續(xù)伴隨方法和離散伴隨方法進行了對比分析，結(jié)果表明，離散伴隨方法能夠得到比連續(xù)伴隨方法更一致的結(jié)果，但差別普遍較小。連續(xù)伴隨方法相對離散伴隨方法所需要的計算資源大為減少，更加符合工程需求。查爾姆斯理工大學利用開源軟件OpenFOAM開發(fā)了以體聲源強度為目標函數(shù)，基于連續(xù)伴隨方法的形面優(yōu)化數(shù)值方法，并在簡易盒體模型上驗證了該功能[6]。本文將類似方法運用到后視鏡氣動噪聲優(yōu)化分析中，對某SUV后視鏡單體進行風噪敏感度分析，得出后視鏡敏感度云圖，并按照敏感度云圖的定性指導進行后視鏡風噪優(yōu)化設計。

1 氣動噪聲敏感度的連續(xù)伴隨方法

Lighthill體聲源作為車內(nèi)氣動噪聲重要來源，可由聲比擬方程得到：

式中：Tij為Lighthill應力張量，可以寫為：

等式右側(cè)，第1項為雷諾應力項，第2項在沒有熵變的情況下視為0，第三項τij在高雷諾數(shù)流動中也視為0[6]。

因此，式（1）右側(cè)可寫為：

伴隨方法可歸結(jié)為對上述目標函數(shù)求極小值，其中速度V與壓力P以及設計變量α都受到N-S方程的約束。本文中設計變量取為后視鏡外表面格點的法向位移。極小值問題可描述為：

引入拉格朗日乘子u和q作為拉格朗日松弛因子，以將約束條件納入考慮，式（4）可寫為：

式中：u為伴隨速度；q為伴隨壓力；R為約束條件即RANS不可壓縮流動和連續(xù)性方程；Ω為流體域。極值點可以通過計算L的變分來得到：

其中，流場量V和P滿足N-S方程。由式（6）即可導出目標函數(shù)相對于設計變量的導數(shù)，也就是氣動噪聲敏感度。

2 后視鏡模型

本文選用某SUV車型后視鏡單體作為計算模型，后視鏡幾何模型如圖1所示。根據(jù)后視鏡單體尺寸創(chuàng)建長、寬、高分別為4.5 m、10 m、4 m的計算域。通過計算，該后視鏡單體迎風面積為0.035 m2，因此，該模型的阻塞率約為0.2%。

采用OpernFOAM中的Snappyhex網(wǎng)格劃分模塊進行體網(wǎng)格劃分和加密。為了協(xié)調(diào)計算精度與計算效率的平衡，采用逐層加密策略，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm。圖2為X= 0的截面體網(wǎng)格示意圖。

圖1 后視鏡單體模型

圖2 模型體網(wǎng)格截面

3 結(jié)果與討論

圖3為后視鏡表面敏感度云圖分析結(jié)果。敏感度參數(shù)為正值（紅色）區(qū)域表示該部分需向內(nèi)側(cè)收縮以減小氣動噪聲，敏感度參數(shù)為負值（藍色）區(qū)域表示該部分需向外側(cè)擴張以減小氣動噪聲。

圖3 后視鏡敏感度云圖

由圖3可知：在后視鏡主體前端棱邊處以及鏡臂與主體交接處的敏感度較大，可以通過向內(nèi)側(cè)收縮來減小氣動噪聲?？蓮牧鲌鲂畔⒅蟹治鲈撉闆r產(chǎn)生的原因。

圖4為后視鏡的俯視圖。從圖中可以看出后視鏡主體內(nèi)側(cè)面與Y截面存在一個夾角，較大的夾角會影響后視鏡周圍流場，進而影響到整個頻段下乘員艙內(nèi)的噪聲。

圖4 后視鏡俯視圖

圖5為目標后視鏡表面壓力云圖。從表面壓力云圖可以看到：在后視鏡主體前端棱邊有一定的負壓區(qū)。形成該現(xiàn)象的原因主要是鏡體內(nèi)側(cè)面與Y截面的夾角較大，導致前方來流在鏡體棱邊處發(fā)生分離形成渦流，并且延伸到鏡臂，而渦流在分離處的脫落所產(chǎn)生的噪聲是整車氣動噪聲的重要組成部分。

圖5 后視鏡表面壓力云圖

圖6為Z=0.915截面速度云圖。從圖中可以看到后視鏡主體后端產(chǎn)生了不規(guī)則的低速區(qū)，并且由于后視鏡前端棱邊與Y截面夾角過大，導致內(nèi)側(cè)區(qū)域形成較大的低速區(qū)。后視鏡所產(chǎn)生的不規(guī)則尾流會對車內(nèi)氣動噪聲有較大的負面影響。

圖6 Z=0.915截面速度云圖

圖7為Z=0.915截面壓力云圖。從圖中可以看出，也是在鏡體前端棱邊處有突變的低壓區(qū)域產(chǎn)生，隨之產(chǎn)生的流動分離導致了較強的噪聲源。

圖7 Z=0.915截面壓力云圖

通過以上分析可知，圖3所示的風噪敏感度分析結(jié)果是合理的，可以用于指導后視鏡的風噪優(yōu)化。

4 優(yōu)化驗證

根據(jù)后視鏡風噪敏感度云圖結(jié)果，完成后視鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，圖8為優(yōu)化后的后視鏡結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方向在于鏡臂的內(nèi)收，后視鏡內(nèi)側(cè)面前端內(nèi)收以減小與Y截面的夾角。

通過商用CFD軟件對優(yōu)化前后的模型進行車內(nèi)噪聲計算，圖9為兩個后視鏡模型100～10 000 Hz車內(nèi)駕駛員頭部區(qū)域聲壓級曲線。由圖可知，在全頻段內(nèi)風噪聲均有降低，300～1 000 Hz和2 000～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)，優(yōu)化后的模型相比原始模型使車內(nèi)噪聲最大減小2 dB(A)。

圖8 優(yōu)化后的后視鏡結(jié)構(gòu)

圖9 車內(nèi)駕駛員頭部區(qū)域聲壓級曲線

對新/舊兩個版本后視鏡的風噪效果開展了路試試驗對比，主觀評價結(jié)果表明，采用新版后視鏡后，車內(nèi)風噪聲有明顯的改善。

由此可以看出，本文提出的這種風噪優(yōu)化方法，即基于連續(xù)伴隨方法計算風噪敏感度-基于敏感度對高敏感部位進行優(yōu)化-通過仿真/試驗進行驗證，能夠有效地應用于風噪性能的提升。后續(xù)工作中，計劃將此方法應用于整車的風噪敏感度分析和優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文基于開源軟件OpenFOAM，對目標后視鏡完成流場計算，并以Lighthill體聲源為目標函數(shù)，采用連續(xù)伴隨方法進行表面風噪敏感度分析，得出目標后視鏡的風噪聲聲源主要由鏡體棱邊過于突出和鏡體內(nèi)側(cè)面與Y截面的夾角過大引起。通過對后視鏡表面壓力、截面壓力和截面速度進行分析，證明了風噪敏感度結(jié)果的合理性。通過商用CFD軟件對優(yōu)化前后的后視鏡模型進行車內(nèi)風噪分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后的后視鏡模型使車內(nèi)噪聲明顯降低。最后通過路試試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性，證明風噪表面敏感度能夠有效地指導后視鏡風噪優(yōu)化設計。