帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗風(fēng)振噪聲仿真研究

尚 雷，董立強(qiáng)，徐文斌，周曉軍

（重慶金康賽力斯新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401147）

近年來(lái)，隨著汽車(chē)安全性能的逐步提高，乘客對(duì)汽車(chē)舒適性能的要求越來(lái)越高。消費(fèi)者曾經(jīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎-路面噪聲的關(guān)注較多，但隨著這些噪聲得到有效控制，氣動(dòng)噪聲對(duì)艙內(nèi)的影響越來(lái)越突出。而汽車(chē)風(fēng)振噪聲是氣動(dòng)噪聲一個(gè)重要部分[1]。在汽車(chē)行駛時(shí)，開(kāi)啟天窗會(huì)引發(fā)天窗風(fēng)振噪聲，這種頻率在20 Hz左右，聲壓在100 dB以上的壓力脈動(dòng)，雖不易被人耳聽(tīng)到，但會(huì)產(chǎn)生特別強(qiáng)烈的壓耳感，嚴(yán)重影響了乘員艙內(nèi)的舒適性能。因此，工程師越來(lái)越關(guān)注風(fēng)振噪聲問(wèn)題，已逐漸成為汽車(chē)設(shè)計(jì)階段的常規(guī)分析項(xiàng)。

國(guó)外對(duì)汽車(chē)風(fēng)振噪聲的研究起步很早，但早期研究多借助風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)嵻?chē)道路試驗(yàn)[2]，往往發(fā)現(xiàn)問(wèn)題較晚，發(fā)現(xiàn)風(fēng)振問(wèn)題時(shí)已處于車(chē)型驗(yàn)證的后期階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車(chē)風(fēng)振噪聲的二維及三維仿真技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各主機(jī)廠的汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)風(fēng)振噪聲的研究起步相對(duì)較晚，2007年，湖南大學(xué)的谷正氣等[3]首次開(kāi)始關(guān)注風(fēng)振噪聲的研究，對(duì)汽車(chē)風(fēng)振噪聲的CFD仿真研究做了一個(gè)總結(jié)，并歸納了CFD風(fēng)振仿真的一般步驟。隨后，該團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開(kāi)展了汽車(chē)天窗風(fēng)振的研究、側(cè)窗風(fēng)振的研究以及側(cè)風(fēng)下汽車(chē)風(fēng)振噪聲的研究與控制[4-7]。2017年，張全周等[8]在汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)前期進(jìn)行了汽車(chē)天窗風(fēng)振噪聲的二維仿真與減振措施的研究。隨后，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)據(jù)的三維風(fēng)振噪聲仿真與驗(yàn)證。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)通過(guò)紗網(wǎng)氣流的速度和壓降，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)。然后根據(jù)所擬合的紗網(wǎng)阻力曲線(xiàn)和現(xiàn)有的汽車(chē)三維模型，對(duì)帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗進(jìn)行了風(fēng)振噪聲的仿真研究。在仿真研究中，首先做了來(lái)流速度掃略，即計(jì)算不同車(chē)速下的風(fēng)振噪聲值，以找到風(fēng)振問(wèn)題最嚴(yán)重的車(chē)速，本文所研究車(chē)型風(fēng)振問(wèn)題最嚴(yán)重時(shí)的車(chē)速為60 km/h。然后，在此車(chē)速下，針對(duì)所仿真的風(fēng)振問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化分析，并著重進(jìn)行了紗網(wǎng)高度、天窗開(kāi)度以及組合方案等方面的優(yōu)化。

1 數(shù)值仿真條件

1.1 多孔介質(zhì)阻力公式及阻力曲線(xiàn)

對(duì)于紗網(wǎng)的多孔介質(zhì)阻力，進(jìn)行了紗網(wǎng)的單體性能測(cè)試。根據(jù)單體測(cè)試所得的速度及壓降，結(jié)合多孔介質(zhì)阻力公式，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)，以下為多孔介質(zhì)阻力公式及紗網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)。

多孔介質(zhì)阻力公式：

式中：v為通過(guò)介質(zhì)的表面速度，m/s；Pi，Pv為定義多孔阻力的系數(shù)，分別稱(chēng)為慣性阻力和粘性阻力。

阻力系數(shù)可使用不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究測(cè)量或衍生得到，這取決于問(wèn)題的確切性質(zhì)。

根據(jù)以上多孔介質(zhì)阻力公式擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 多孔介質(zhì)阻力曲線(xiàn)

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

天窗風(fēng)振噪聲的研究需要汽車(chē)外造型來(lái)準(zhǔn)確模擬汽車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)。由于天窗風(fēng)振主要是由于天窗開(kāi)啟時(shí)，天窗前緣產(chǎn)生的脫落渦與乘員艙相互作用而引起的，因此，除了汽車(chē)外造型外，還需要汽車(chē)的內(nèi)飾模型、假人模型以及開(kāi)啟狀態(tài)的天窗模型，天窗開(kāi)度可根據(jù)情況而定。

汽車(chē)外部設(shè)置虛擬風(fēng)洞，虛擬風(fēng)洞長(zhǎng)65 m，寬12 m，高24 m。其中車(chē)前約4倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后約8倍車(chē)長(zhǎng)。汽車(chē)的輪輞和底盤(pán)做平板簡(jiǎn)化處理，格柵做封閉處理，輪胎與地面做10 mm切割處理。

圖2 假人模型及壓力監(jiān)控點(diǎn)

計(jì)算模型的體網(wǎng)格選用切割體網(wǎng)格，在天窗周?chē)O(shè)置4 mm的加密區(qū)域，在車(chē)體周?chē)O(shè)置32 mm和64 mm的雙層加密區(qū)域。為準(zhǔn)確模擬車(chē)身表面附近的邊界層，設(shè)置了3層3 mm厚，增長(zhǎng)率為1.2的邊界層網(wǎng)格。針對(duì)多孔介質(zhì)，單獨(dú)設(shè)置了表面尺寸為1～2 mm的網(wǎng)格模型。整個(gè)計(jì)算模型的體網(wǎng)格數(shù)量約為1 600萬(wàn)個(gè)。

圖3 切割體網(wǎng)格

1.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

除了模型及網(wǎng)格設(shè)置之外，需進(jìn)行邊界條件及物理模型設(shè)置。邊界條件設(shè)置如下：

物理模型設(shè)置，首先設(shè)置穩(wěn)態(tài)仿真，采用Realizablek-ε模型進(jìn)行仿真，以穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為瞬態(tài)仿真的初始值。然后進(jìn)行瞬態(tài)仿真設(shè)置，由于存在多孔介質(zhì)設(shè)置，所以瞬態(tài)仿真選取DES湍流模型，時(shí)間步長(zhǎng)選取0.002 s，內(nèi)迭代步數(shù)選取15，仿真時(shí)長(zhǎng)為3 s。

表1 邊界條件設(shè)置

針對(duì)紗網(wǎng)設(shè)置多孔介質(zhì)域，根據(jù)前面已擬合的阻力曲線(xiàn)設(shè)置慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。

在前排乘客即主駕和副駕的左右耳分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便壓力數(shù)據(jù)的監(jiān)控及提取。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真計(jì)算結(jié)果

以上模型和邊界設(shè)置完成后，針對(duì)基礎(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行了不同速度的天窗風(fēng)振仿真，仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)及頻譜曲線(xiàn)如表2和圖4所示。

表2 各速度風(fēng)振仿真結(jié)果

圖4 各速度風(fēng)振仿真結(jié)果

50 km/h工況聲壓級(jí)幅值接近100 dB，基本沒(méi)有風(fēng)振問(wèn)題；60 km/h和70 km/h工況聲壓級(jí)幅值大于100 dB，存在風(fēng)振問(wèn)題，60 km/h風(fēng)振問(wèn)題較70 km/h大。后續(xù)主要針對(duì)60 km/h工況進(jìn)行風(fēng)噪問(wèn)題分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

為了研究天窗風(fēng)振噪聲的影響因素，對(duì)紗網(wǎng)的高度增加與未增加進(jìn)行了對(duì)比分析。紗網(wǎng)高度增加20 mm的具體方案和監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜如圖5～6所示。從頻譜圖中可以看出，紗網(wǎng)高度增加20 mm后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)峰值出現(xiàn)在16.9 Hz，峰值為101 dB，較基礎(chǔ)狀態(tài)60 km/h工況下的風(fēng)振噪聲值119.3 dB，下降了18 dB。說(shuō)明紗網(wǎng)高度增加對(duì)降低風(fēng)振噪聲具有一定的效果，紗網(wǎng)高度為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。

圖5 紗網(wǎng)高度增加示意

圖6 紗網(wǎng)增高仿真結(jié)果

進(jìn)一步通過(guò)渦量云圖對(duì)紗網(wǎng)增高前后進(jìn)行了分析，如圖7所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，分離渦脫落撞擊天窗后緣，致使脫落渦破碎，破碎渦一部分飛到車(chē)外，另一部分進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，進(jìn)入車(chē)內(nèi)的渦使車(chē)內(nèi)壓力變化區(qū)間較大，是產(chǎn)生風(fēng)振的根本原因。從云圖中可以看出，基礎(chǔ)狀態(tài)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的破碎渦量明顯強(qiáng)于紗網(wǎng)增高后進(jìn)入車(chē)內(nèi)的破碎渦量。

圖7 紗網(wǎng)增高前后渦量云圖

除了紗網(wǎng)高度，天窗開(kāi)度同樣為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。在基礎(chǔ)狀態(tài)即原始開(kāi)度的基礎(chǔ)上，分別分析了1/2開(kāi)度、3/4開(kāi)度以及1/2～3/4中間開(kāi)度下的風(fēng)振噪聲。分析結(jié)果和監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻譜如表3和圖8所示。

表3 天窗各開(kāi)度風(fēng)振仿真結(jié)果

圖8 天窗不同開(kāi)度風(fēng)振仿真結(jié)果

從分析結(jié)果及頻譜曲線(xiàn)可以看出，1/2開(kāi)度和1/2～3/4中間開(kāi)度的聲壓級(jí)峰值分別為84.6 dB和92.1 dB，基本無(wú)風(fēng)振問(wèn)題。3/4開(kāi)度聲壓級(jí)峰值為112.5 dB，存在風(fēng)振問(wèn)題，但較基礎(chǔ)狀態(tài)有6.5 dB的改善。此外，由分析結(jié)果可知，天窗全開(kāi)→3/4開(kāi)度→1/2～3/4中間開(kāi)度→1/2開(kāi)度，隨著天窗開(kāi)度的減小，聲壓級(jí)峰值逐漸減小，風(fēng)振問(wèn)題逐漸消失。

同樣通過(guò)渦量云圖對(duì)天窗不同開(kāi)度的結(jié)果進(jìn)行了分析，如圖9所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著天窗開(kāi)度的減小，分離渦脫落撞擊天窗后緣后，進(jìn)入駕駛艙內(nèi)的破碎渦逐漸減少，進(jìn)一步從風(fēng)振噪聲的機(jī)理上驗(yàn)證了，天窗開(kāi)度為影響天窗風(fēng)振噪聲的因素之一。

圖9 天窗不同開(kāi)度渦量云圖對(duì)比

3 道路試驗(yàn)驗(yàn)證

由于本文所研究的車(chē)型仍處于數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，所以采用造型相近、天窗為同一廠家的同平臺(tái)車(chē)型樣車(chē)進(jìn)行道路試驗(yàn)，對(duì)文中的仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證。

道路試驗(yàn)條件盡量與仿真條件保持一致，車(chē)速為60 km/h，天窗保持全開(kāi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與仿真一致。試驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比如圖10所示

圖10 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如上文所述，在車(chē)速60 km/h且天窗保持全開(kāi)的狀態(tài)下，仿真結(jié)果的聲壓級(jí)峰值為119.3 dB，頻率為19 Hz。在同等條件下，同平臺(tái)樣車(chē)的測(cè)試結(jié)果的聲壓級(jí)峰值為125.6 dB，頻率為16.9 Hz。經(jīng)過(guò)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的聲壓級(jí)峰值對(duì)比分析可以得出，本文的仿真方法可用于車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中風(fēng)振噪聲的研究與性能提升。

4 結(jié)論

本文就汽車(chē)開(kāi)天窗時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的天窗風(fēng)振噪聲問(wèn)題，利用紗網(wǎng)單體測(cè)試的速度與壓降，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)，對(duì)帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了仿真，同時(shí)研究了影響天窗風(fēng)振噪聲的因素。將仿真結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真方法的可行性。

對(duì)比紗網(wǎng)高度增加前后分析結(jié)果的聲壓級(jí)峰值發(fā)現(xiàn)，紗網(wǎng)高度增加20 mm后，聲壓級(jí)峰值降低了18 dB。對(duì)比渦量云圖可知，分離渦脫落撞擊天窗后緣，致使脫落渦破碎，破碎渦一部分飛到車(chē)外，另一部分進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，進(jìn)入車(chē)內(nèi)的渦是產(chǎn)生風(fēng)振的根本原因?；A(chǔ)狀態(tài)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的破碎渦量明顯強(qiáng)于紗網(wǎng)增高后進(jìn)入車(chē)內(nèi)的破碎渦量。說(shuō)明紗網(wǎng)高度增加對(duì)降低風(fēng)振噪聲具有一定的效果，紗網(wǎng)高度為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。

在天窗全開(kāi)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了3/4開(kāi)度、1/2～3/4中間開(kāi)度、1/2開(kāi)度的風(fēng)振噪聲仿真。仿真結(jié)果表明，隨著天窗開(kāi)度的減小，聲壓級(jí)峰值逐漸減小，風(fēng)振問(wèn)題逐漸消失。通過(guò)對(duì)云圖的分析可知，進(jìn)入乘員艙的破碎渦逐漸減少，與逐漸減小的聲壓級(jí)峰值相吻合。由此判斷天窗開(kāi)度為影響天窗風(fēng)振噪聲的因素之一。

帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗，經(jīng)過(guò)紗網(wǎng)對(duì)氣流的阻力和撞擊，通常情況下會(huì)很大程度地抑制天窗風(fēng)振噪聲。本文所研究的車(chē)型出現(xiàn)了較明顯的風(fēng)振噪聲，且紗網(wǎng)增高后風(fēng)振噪聲基本消失，初步懷疑是否由于天窗前后緣z向高度差過(guò)大所致。經(jīng)測(cè)量，該車(chē)型天窗前后緣高度差的確較大，下一步需證實(shí)上面的猜測(cè)，并進(jìn)一步研究此高度差、導(dǎo)流板高度與天窗風(fēng)振噪聲的相互關(guān)系。