某電動車型空調(diào)管道和出風(fēng)口的氣動噪聲分析

陳明柱 趙玉壘

（長城汽車股份有限公司；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽車的空調(diào)出風(fēng)口與駕駛室相連，空調(diào)箱體的噪聲直接進(jìn)入駕駛室內(nèi)，尤其是新能源汽車沒有傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的背景噪聲，空調(diào)的噪聲成為車內(nèi)的主要噪聲源[1]。伴隨著鼓風(fēng)機(jī)性能的提升，由氣動噪聲占主導(dǎo)的次要噪聲源凸顯出來[2]?？照{(diào)管道存在凸起結(jié)構(gòu)、曲率設(shè)計不合理、截面突變等問題，出風(fēng)口也存在凹槽、末端截面突擴(kuò)、縫隙狹小等問題，這些均容易產(chǎn)生氣動噪聲。文章以某純電動車型空調(diào)管道和出風(fēng)口為研究對象，利用計算氣動聲學(xué)（CAA）[3]方法對空調(diào)管道及出風(fēng)口的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，找出噪聲源分布[4]。根據(jù)噪聲源和空調(diào)管道及出風(fēng)口內(nèi)流場分布等信息，提出工程可實現(xiàn)的優(yōu)化建議并進(jìn)行驗證分析，從而降低了空調(diào)系統(tǒng)的噪聲。

1 術(shù)語和定義

文章涉及的術(shù)語及其定義如下。

1）流致噪聲。由于空調(diào)管道曲率變化及出風(fēng)口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致氣流不規(guī)則流動而產(chǎn)生的噪聲。

2）寬頻噪聲。在零到正無窮頻率都有聲波能量的一種噪聲。

3）大渦模擬。大渦模擬（LES）是對紊流脈動（或紊流渦）的一種空間平均，也就是通過某種濾波函數(shù)將大尺度的渦和小尺度的渦分離開，大尺度的渦直接模擬，小尺度的渦用模型來封閉。它區(qū)別于直接數(shù)值模擬（DNS）和雷諾平均（RANS）的方法，基本思想是通過精確求解某個尺度以上所湍流尺度的運(yùn)動，從而能夠捕捉到RANS 方法所無能為力的許多非穩(wěn)態(tài)、非平衡過程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)和擬序結(jié)構(gòu)，同時克服了DNS需要求解所有湍流尺度的成本問題。

2 仿真分析及優(yōu)化

2.1 模型搭建

空調(diào)管道及出風(fēng)口模型，如圖1 所示，整個風(fēng)道有4 個風(fēng)道與儀表板上4 個出風(fēng)口相連接。

圖1 電動車空調(diào)管道及出風(fēng)口幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

在風(fēng)道入口法線方向延伸一段距離，將延伸管道作為循環(huán)體，用以模擬管道內(nèi)充分發(fā)展的氣流情況，如圖2 所示。

圖2 電動車空調(diào)管道及出風(fēng)口循環(huán)體模型

空調(diào)管道和出風(fēng)口仿真分析網(wǎng)格模型，如圖3 所示。由于受流體粘性影響，管道內(nèi)近壁面會形成一層附面層，因此，在近壁面設(shè)置了4 層邊界層來模擬附面層的影響，計算模型網(wǎng)格約540 萬個，分析工況為空調(diào)全負(fù)荷吹面模式，計算邊界條件為：進(jìn)口邊界條件為自由邊界（將循環(huán)體出口邊界數(shù)據(jù)加載到管道進(jìn)口邊界）；出口為壓力出口。瞬態(tài)計算以穩(wěn)態(tài)計算為初始值，穩(wěn)態(tài)計算采用RNG 湍流模型進(jìn)行求解。瞬態(tài)計算采用LES計算模型，時間步長決定了計算的最高頻率，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，可還原的最高頻率只有采樣頻率的一半。氣動噪聲是寬頻帶噪聲且能量主要集中在中低頻，因此計算最高頻率設(shè)定為2 000 Hz，對應(yīng)的時間步長為 6.25×10-5s。

圖3 電動車空調(diào)管道及出風(fēng)口網(wǎng)格模型

2.3 原狀態(tài)分析結(jié)果

對仿真計算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到空調(diào)管道及出風(fēng)口內(nèi)流場分布、面聲源、體聲源、壓力分布等信息。圖4 示出空調(diào)管道和出風(fēng)口內(nèi)流場。

圖4 電動汽車空調(diào)原狀態(tài)管道內(nèi)流場

從圖4 中可以看出，由于空調(diào)管道局部區(qū)域曲率過渡不合適，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生渦流，出風(fēng)口設(shè)計不合理導(dǎo)致風(fēng)口內(nèi)存在渦流，有效面積小，致使出風(fēng)口內(nèi)流速較大。

2.4 空調(diào)管道及出風(fēng)口優(yōu)化分析

2.4.1 空調(diào)管道優(yōu)化

在空調(diào)管道原狀態(tài)的基礎(chǔ)上對空調(diào)管道7 處局部出現(xiàn)渦流的區(qū)域進(jìn)行曲率調(diào)整。

2.4.1.1 右側(cè)管道優(yōu)化

針對圖4 中①②處的問題采取的優(yōu)化方案，如圖5所示。圖5 中黑色線為原方案，紅色線為優(yōu)化方案。

圖5 電動汽車空調(diào)右側(cè)管道優(yōu)化方案局部剖面圖（YOZ 截面）

電動汽車空調(diào)右側(cè)管道優(yōu)化前后內(nèi)流場對比，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，由于右側(cè)吹面管道與空調(diào)箱連接處管道成直角過渡，導(dǎo)致管道內(nèi)氣流與管道分離產(chǎn)生渦流；在原方案基礎(chǔ)上對直角拐角進(jìn)行優(yōu)化后，管道內(nèi)渦流基本消失。

圖6 電動汽車空調(diào)右側(cè)管道優(yōu)化前后內(nèi)流場對比

2.4.1.2 中間管道優(yōu)化

針對圖4 中③④⑤處的問題采取的優(yōu)化方案，如圖7 所示。圖7 中黑色線為原方案，紅色線為優(yōu)化方案1，綠色線為優(yōu)化方案2。

圖7 電動汽車空調(diào)中間管道優(yōu)化方案局部剖面圖（XOY 截面）

電動汽車空調(diào)中間管道優(yōu)化前后內(nèi)流場對比，如圖8 所示。從圖8 中可以看出，中左和中右管道為一體式，由于空調(diào)箱與出風(fēng)口間距離有限，導(dǎo)致管道不能充分發(fā)展，管道曲率過渡急，致使管道內(nèi)產(chǎn)生渦流；在原方案基礎(chǔ)上將兩側(cè)管道內(nèi)收，從流場結(jié)果來看，優(yōu)化方案1 基本沒效果，優(yōu)化方案2 使流場內(nèi)的渦流明顯減少。

圖8 電動汽車空調(diào)中間管道優(yōu)化前后內(nèi)流場對比

2.4.1.3 左右兩側(cè)管道優(yōu)化

針對圖4 中⑥⑦處的問題采取的優(yōu)化方案，如圖9所示。圖9 中透明黑色為原方案，土色為優(yōu)化方案1，藍(lán)色為優(yōu)化方案2。

圖9 電動汽車空調(diào)左右兩側(cè)管道優(yōu)化方案

電動汽車空調(diào)左右兩側(cè)管道優(yōu)化前后內(nèi)流場對比，如圖10 和圖11 所示。從圖10 和圖11 中可以看出，左右兩側(cè)管道與出風(fēng)口連接處曲率過渡不合適導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生旋流；在原狀態(tài)基礎(chǔ)上對管道曲率進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案1 使管道內(nèi)旋流減少，優(yōu)化方案2 效果最為明顯，管道內(nèi)旋流基本消失。

圖10 電動汽車空調(diào)左右兩側(cè)管道（問題⑥）優(yōu)化前后內(nèi)流場對比

圖11 電動汽車空調(diào)左右兩側(cè)管道（問題⑦）優(yōu)化前后內(nèi)流場對比

2.4.2 分風(fēng)筋方案

由于中間兩管道風(fēng)量分配不滿足要求，增加分風(fēng)筋結(jié)構(gòu)，但分風(fēng)筋導(dǎo)致中間管道內(nèi)氣流分離，產(chǎn)生渦流，噪聲增大。在原方案基礎(chǔ)上調(diào)整分風(fēng)筋位置，如圖12 所示。圖12 中黑色線為原方案，藍(lán)色線為優(yōu)化方案1，綠色線為優(yōu)化方案2，紅色線為優(yōu)化方案3。

電動汽車空調(diào)中間管道分風(fēng)筋位置優(yōu)化前后內(nèi)流場對比，如圖13 所示。從圖13 中可以看出，方案2 和方案3 的優(yōu)化效果較小，方案1 優(yōu)化效果最佳，基本消除了管道內(nèi)渦流（同時滿足風(fēng)量分配要求，文章不對風(fēng)量進(jìn)行數(shù)據(jù)說明）。

2.4.3 出風(fēng)口方案

由于扇葉裝配問題，導(dǎo)致出風(fēng)口殼體出現(xiàn)凹槽，進(jìn)而致使出風(fēng)口內(nèi)出現(xiàn)渦流。出風(fēng)口殼體的截面突變會產(chǎn)生因氣流分離而形成的渦流區(qū)，會增大駕駛艙內(nèi)噪聲；出風(fēng)口殼體存在凹槽減小了實際過流面積，導(dǎo)致出風(fēng)口內(nèi)氣體流速增加，影響NVH 性能。為滿足氣動性能要求，去掉凹槽特征以達(dá)到減小或消除渦流的目的，如圖14 所示。

圖14 電動汽車空調(diào)出風(fēng)口優(yōu)化方案

優(yōu)化前后空調(diào)出風(fēng)口內(nèi)流場對比，如圖15 所示。從圖15 中可看出，去除出風(fēng)口殼體上的凹槽后，出風(fēng)口內(nèi)渦流消除。

圖15 電動汽車空調(diào)出風(fēng)口優(yōu)化前后內(nèi)流場對比

2.4.4 寬頻噪聲對比

空調(diào)管道和出風(fēng)口的噪聲主要分布在≤2 000 Hz的中低頻。圖16 示出空調(diào)4 個出風(fēng)口的頻譜曲線圖。

圖16 電動汽車空調(diào)出風(fēng)口頻譜曲線

從圖16a 可以看出，在出風(fēng)口 1 處，450～900 Hz、1 100～1 400 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優(yōu)化狀態(tài)比原狀態(tài)出風(fēng)口的總聲壓級低2.1 dB；如圖16b 所示，在出風(fēng)口2 處，400～600 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優(yōu)化狀態(tài)比原狀態(tài)出風(fēng)口的總聲壓級低2 dB；如圖16c所示，在出風(fēng)口3 處，300～600 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優(yōu)化狀態(tài)比原狀態(tài)出風(fēng)口的總聲壓級低2.2 dB；如圖16d 所示，在出風(fēng)口 4 處，350～800 Hz 頻率段處聲壓級下降明顯，優(yōu)化狀態(tài)比原狀態(tài)出風(fēng)口的總聲壓級低2.8 dB。

3 結(jié)論

通過對空調(diào)管道及出風(fēng)口的流致噪聲分析以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有效降低了4 個出風(fēng)口的噪聲水平，從仿真分析可以總結(jié)出以下措施：

1）風(fēng)道盡量減少急轉(zhuǎn)彎。由于空氣流經(jīng)彎管時，氣流流向必然發(fā)生改變，氣流脫離管道壁面，使局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)壓，氣流會在局部回旋，造成能量損失，產(chǎn)生噪聲。為此可減小轉(zhuǎn)彎處的局部阻力系數(shù)，增大彎曲處的曲率半徑和減少彎管過渡次數(shù)。

2）避免管道斷面突變。若風(fēng)道斷面突然變化，氣流流速則會發(fā)生變化，部分氣流脫離突擴(kuò)壁面，在擴(kuò)大截面處產(chǎn)生氣流渦流，形成局部阻力，造成能量損失，因此在風(fēng)道設(shè)計時應(yīng)避免截面突然變化。

3）合理布置分風(fēng)筋。由于氣流流經(jīng)分風(fēng)筋時必然發(fā)生分離，產(chǎn)生局部渦流，造成能量損失，因此應(yīng)該合理布置分風(fēng)筋走勢，減小管道渦流，降低氣動噪聲。

4）避免出風(fēng)口內(nèi)出現(xiàn)棱臺。出風(fēng)口內(nèi)存在棱臺會減小實際過流面積，導(dǎo)致出風(fēng)口內(nèi)氣體流速增加，出風(fēng)口殼體的截面突變，會產(chǎn)生因氣流分離而形成的渦流區(qū)，增大駕駛艙內(nèi)噪聲，影響氣動性能，因此需避免出風(fēng)口內(nèi)出現(xiàn)棱臺。