基于CFD的汽車后視鏡優(yōu)化

夏廣飛，張莉

（1.江淮汽車技術中心乘用車研究院，安徽 合肥 230009；2.江淮汽車技術中心發(fā)動機試驗開發(fā)研究院，安徽 合肥 230009）

引言

空氣動力噪聲是汽車噪聲的主要影響因素，其好壞直接影響汽車的品質。汽車天窗、后視鏡、A柱以及行李箱架等突出物在汽車高速行駛時是車外氣動噪聲的主要噪聲源。隨著市場對汽車各方面要求的提高，汽車高速行駛時的氣動噪聲已經(jīng)成為了研究熱點。相關研究表明，汽車后視鏡的尾流和A柱的縱向渦流都會使側窗表面產(chǎn)生壓力脈動，這是導致氣動噪聲的主要原因[1]。目前，國內(nèi)主要研究后視鏡的形狀來減小氣動噪聲。本文也從后視鏡外形入手，研究設置導流結構來減小氣動噪聲。

我國的氣動噪聲研究起步較晚，早期主要是研究簡化模型。1995年，江蘇理工大學宮鎮(zhèn)[2]等人利用低速的回流式風洞對桑塔拉的簡化縮小尺寸模型進行實驗研究，并獲得車聲表面監(jiān)測點的壓力數(shù)據(jù)。2006年[3]，吉林大學基于CFD對簡化的Ford-Variable汽車模型進行研究，并對安裝于平板上的后視鏡進行模擬計算分析，探討后視鏡在車身側窗位置的噪聲。吉林大學[4]采用簡化的駕駛室模型對汽車后視鏡、行李箱架進行氣動噪聲分析，并對后視鏡造型進行優(yōu)化，有效降低了整車的氣動噪聲。

本文針對后視鏡的外形，對后視鏡內(nèi)側進行優(yōu)化，設計導流結構，利用CFD仿真的方法對其進行仿真計算。通過對比研究后視鏡添加導流結構和未添加導流結構兩種情況，來闡述導流結構對氣動噪聲的影響。

1 研究對象

本文對添加了導流結構的后視鏡進行建模分析，后視鏡幾何模型及其導流結構如圖1所示。汽車后視鏡噪聲要研究其對汽車動力噪聲的影響，因此除了后視鏡，還需要汽車的整車模型。

圖1 后視鏡幾何模型

2 數(shù)值仿真方法

2.1 后視鏡的CFD計算過程

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）的基本思想可歸結為：將原來在空間和時間上連續(xù)的物理量的場，如壓力場和速度場，用一系列離散點上的物理量來代替，通過一定的原則建立起這些離散點直接的關系，并用代數(shù)方程組來表示，通過求解代數(shù)方程組獲得物理量的近似值。

圖2 后視鏡的CFD工作流程圖

后視鏡的CFD的求解過程可以用圖2來表示。

2.2 流動控制方程

任何流體的動力學都遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，由它們分別可以導出連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，統(tǒng)稱控制方程。如果用φ表示通量，各控制方程可以由以下通用形式表示：

其中，u為速度，t是時間，ρ為氣體密度，Γ為廣義擴散系數(shù)，S為廣義源項。各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，φ、Γ和S具有特定的形式[5]。

2.3 網(wǎng)格劃分

將后視鏡及其整車的幾何模型導入到Hypermesh中進行幾何處理和面網(wǎng)格處理，然后再導入到 STAR-CCM+進行體網(wǎng)格劃分，并在 STAR-CCM+進行仿真計算。網(wǎng)格的好壞會影響仿真的求解的時間和精度，本文選用切割體網(wǎng)格，并在汽車后視鏡設置加密區(qū)，以精確捕捉后視鏡周圍的空氣流動情況。

2.4 邊界條件

邊界條件是指在求解域的邊界上所求解變量的值或者其一階導數(shù)。只有給定了合理的邊界條件，才可以計算出流場的解。

本文采用入口邊界為速度入口，出口邊界為壓力出口，地面和側面為無滑移壁面，頂部為對稱邊界，車身為無滑移壁面，采用壁面函數(shù)法。本文采用穩(wěn)態(tài)仿真。

3 計算結果分析

圖3是在汽車后視鏡添加導流機構和未添加導流機構兩種情況下，由仿真得到的汽車空間流速分布。從圖中可以看出：未添加導流機構的后視鏡內(nèi)側有一高速區(qū)域，后視鏡后面區(qū)域的氣流速度也挺大；添加導流機構之后，后視鏡的內(nèi)側高速區(qū)域減小，其后側高速氣流的速度也是明顯降低。流速的減小能夠減小圖示區(qū)域的壓力脈動和湍流壓力噪聲，是有利于降噪的。

圖3 表面及空間流速

從圖4汽車表面聲源強度圖可以看出，后視鏡內(nèi)側于側窗間高速氣流的降速，有利于三角窗和側窗位置的偶極子噪聲源；同樣后視鏡后的高速氣流速度的降低，有利于降低該位置的偶極子噪聲源。

圖4 汽車表面聲源強度

對汽車側窗表面聲源強度進行分析，可以從圖5看出：后視鏡優(yōu)化之后，側窗的偶極子噪聲源降低了約 1.1dB，這樣也是有利于減低側窗的湍流壓力噪聲。

圖5 汽車側窗表面聲源強度

添加導流機構之后，后視鏡表面的聲源強度也有所降低，如圖6所示。可以從圖上看出：后視鏡優(yōu)化之后，內(nèi)側面的偶極子聲源明顯降低，有利于側窗輻射噪聲的降低。

圖6 后視鏡表面聲源強度

4 結論

本文借助現(xiàn)有的汽車后視鏡模型對汽車噪聲進行數(shù)值仿真，得到汽車表面的聲源強度分布、汽車表面和空間的流速分布。主要得出以下結論：

（1）對比研究添加導流機構的后視鏡和未添加導流機構兩種情況，發(fā)現(xiàn)添加導流機構之后，后視鏡內(nèi)側和后側原本的高速區(qū)域的速度有所下降，速度的降低會利于降低相應位置的偶極子噪聲源。

本文在后視鏡添加導流結構后，對三角窗和側窗位置的偶極子噪聲源有所下降。下一階段的研究工作有必要在認識控制噪聲的機理上，進一步優(yōu)化后視鏡外形結構，期望能夠達到更好地降噪效果。