某SUV型汽車后視鏡氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真

劉海軍，任秉銀，徐　旭，趙偉豐，劉二寶，梁　赫，彭興芝

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱; 2．河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，071000河北保定; 3．長(zhǎng)城汽車股份有限公司河北省汽車工程技術(shù)研究中心，071000河北保定)

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某SUV型汽車后視鏡氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真

劉海軍1，2，3，，任秉銀1，徐旭3，趙偉豐3，劉二寶3，梁赫3，彭興芝2

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱; 2．河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，071000河北保定; 3．長(zhǎng)城汽車股份有限公司河北省汽車工程技術(shù)研究中心，071000河北保定)

摘要:為有效降低汽車氣動(dòng)噪聲，依據(jù)聲類比思想將氣動(dòng)噪聲計(jì)算分成流場(chǎng)和聲場(chǎng)計(jì)算，采用全域與子域分步計(jì)算流場(chǎng)和ACTRAN計(jì)算聲場(chǎng)相結(jié)合的方法對(duì)某SUV型汽車后視鏡的3種方案的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值仿真，得到車外流場(chǎng)與車內(nèi)外的聲場(chǎng)及聲壓級(jí)頻譜曲線，分析流場(chǎng)云圖和聲壓級(jí)頻譜曲線的變化規(guī)律．結(jié)果表明:方案III的后視鏡因邊緣凸起改善了側(cè)窗外流場(chǎng)湍流脈動(dòng)壓力、漩渦和聲源位置分布，減少了后視鏡通過側(cè)窗傳播到車內(nèi)的噪聲．?dāng)?shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了方法的正確性．該方法可優(yōu)化車內(nèi)聲場(chǎng)的分布，提高司乘人員舒適性．

關(guān)鍵詞:氣動(dòng)噪聲;汽車后視鏡;聲類比;聲場(chǎng);流場(chǎng)

噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度NVH(noise，vibration ＆harshness)在汽車研發(fā)過程中的重要性越來越引起研究人員的關(guān)注．影響NVH的主要因素有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、路面激勵(lì)及氣動(dòng)噪聲等，前3種因素導(dǎo)致的噪聲均已有了有效的控制方法，而氣動(dòng)噪聲更復(fù)雜，目前還沒有有效的控制方法，成為影響車內(nèi)噪聲的重要因素［1］．

國外學(xué)者對(duì)氣動(dòng)噪聲的基本理論研究開展較早．如英國科學(xué)家Lighthill［2］在1952年運(yùn)用微分方法從流體力學(xué)連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程直接推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)氣體發(fā)聲的Lighthill基本方程，建立了聲波波動(dòng)量與流場(chǎng)參量間的直接聯(lián)系．該方程左邊是經(jīng)典聲學(xué)波動(dòng)方程，其他偏離波動(dòng)方程的項(xiàng)被移至方程的右邊，作為氣動(dòng)噪聲的聲源項(xiàng)，整理后的聲源項(xiàng)可以由實(shí)驗(yàn)或數(shù)值仿真計(jì)算得到，然后通過求靜止介質(zhì)中聲場(chǎng)的解，便可以把復(fù)雜的聲學(xué)問題轉(zhuǎn)化為流場(chǎng)和聲場(chǎng)問題分開處理，這就是著名的聲類比的思想［3］，但該方程只能處理自由空間內(nèi)的Lighthill聲源項(xiàng)(四極子聲源)．由于Lighthill方程沒有考慮物體邊界對(duì)聲音的影響，1955年Curle［4］在Lighthill基本方程基礎(chǔ)上考慮了靜止物體邊界對(duì)聲音的影響，導(dǎo)出了更一般的Lighthill方程形式．1969年Ffowcs-Williams等［5］把Curle方程應(yīng)用于求解流體中運(yùn)動(dòng)物體的發(fā)聲問題，得出更一般的氣動(dòng)聲學(xué)方程(簡(jiǎn)稱FW－H方程)．應(yīng)用FW－H方程、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)聲學(xué)仿真的方法［6－7］求解外部流體流經(jīng)車身表面產(chǎn)生的湍流脈動(dòng)壓力，可以預(yù)測(cè)和評(píng)估氣動(dòng)噪聲水平［8］．

國內(nèi)學(xué)者對(duì)氣動(dòng)噪聲的研究要晚于西方國家．近年來，實(shí)驗(yàn)和仿真兩方面的研究發(fā)現(xiàn):汽車的后視鏡、A柱、前擋風(fēng)玻璃、進(jìn)氣柵、車頂篷、側(cè)窗、天窗、車輪、底盤和門把手均為氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)較大的關(guān)鍵部位．當(dāng)汽車行駛速度＜80 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲對(duì)車內(nèi)司乘人員舒適度的影響較小，而當(dāng)汽車行駛的速度＞80 km/h時(shí)，尤其在高速路上以120 km/h高速行駛時(shí)，氣動(dòng)噪聲與車速的六次方成正比［9］，傳遞到車內(nèi)的氣動(dòng)噪聲對(duì)司乘人員舒適度的影響較大．對(duì)于高速行駛的汽車，車外形成的流場(chǎng)是比較復(fù)雜的湍流［10］，尤其是后視鏡、A柱、車輪、底盤和天線附近的流場(chǎng)比較復(fù)雜，壓力脈動(dòng)變化較劇烈，對(duì)近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的總聲壓級(jí)貢獻(xiàn)量較大，而雨刮器和天線的影響相對(duì)較?。?1］．后視鏡是氣動(dòng)噪聲的主要貢獻(xiàn)量之一，在汽車研發(fā)階段，后視鏡與車身的合理搭配可以有效降低流體動(dòng)力和氣動(dòng)噪聲．風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和仿真的方法可用于對(duì)普通后視鏡的壓力和速度場(chǎng)的特性進(jìn)行研究，兩種方法均可以把后視鏡復(fù)雜的湍流流場(chǎng)可視化，真實(shí)再現(xiàn)后視鏡的流場(chǎng)流動(dòng)特性，并驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的可行性．改變后視鏡前臉厚度、后臉深度、支架長(zhǎng)度與迎風(fēng)角度可降低后視鏡對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)［12－13］．氣動(dòng)噪聲實(shí)測(cè)試驗(yàn)中，由于道路環(huán)境背景較為復(fù)雜，不易測(cè)出后視鏡對(duì)氣動(dòng)噪聲總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn);而數(shù)值仿真方法可以較好地模擬后視鏡對(duì)氣動(dòng)總聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)．普通后視鏡周圍的流場(chǎng)是復(fù)雜的湍流流場(chǎng)，伴隨著劇烈的壓力脈動(dòng)，此脈動(dòng)是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要誘因，合理地改善后視鏡的結(jié)構(gòu)可以有效地改善高速行駛汽車外部流場(chǎng)的分布情況，進(jìn)而可以改善車內(nèi)的噪聲水平［14－15］．

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣動(dòng)噪聲研究中多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)注的是后視鏡的外部流場(chǎng)的分布，而研究氣動(dòng)噪聲經(jīng)側(cè)窗傳遞至車內(nèi)噪聲問題的相關(guān)文獻(xiàn)較少．本文采用Star－CCM+的LES湍流模型［16］計(jì)算流場(chǎng)數(shù)據(jù)和采用聲學(xué)仿真軟件ACTRAN中的FWH方程相結(jié)合的方法開展不同局部特征后視鏡對(duì)車內(nèi)外噪聲的影響研究．

1　數(shù)學(xué)控制方程

流體的連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

由以上兩方程可推出Lighthill方程:

式(1)只能對(duì)四極子聲源求解．將該方程推廣到求解表面偶極子聲源，便成為L(zhǎng)ighthill-Curle方程:

式(2)中的右端第1項(xiàng)為四極子聲源項(xiàng)，第2項(xiàng)為偶極子聲源項(xiàng)．該方程只能求解運(yùn)動(dòng)流體中靜止物體表面的噪聲．

為求解運(yùn)動(dòng)物體與流體相互作用產(chǎn)生聲音的問題，將式(2)進(jìn)一步拓展成更一般的FW－H方程:

式(3)中的右端第1項(xiàng)為四極子聲源項(xiàng)，第2項(xiàng)為表面壓力脈動(dòng)引起的偶極子聲源項(xiàng)，第3項(xiàng)為表面加速度引起的單極子聲源項(xiàng)．

式(1)～(3)中:ρ為流體的密度，t為時(shí)間，c0為均質(zhì)介質(zhì)中聲音速度，τij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量，vi和vj分別為流體速度分量，δij為克勞內(nèi)克函數(shù)，p為流體微元控制體上的壓力，ρ0和p0分別為未受擾動(dòng)時(shí)介質(zhì)的密度和流場(chǎng)壓力均值，ρ'和p'分別為流場(chǎng)密度和壓力的脈動(dòng)值，ui為物體運(yùn)動(dòng)的速度．

為方便描述，式(2)和(3)中引入了控制面函數(shù)f(x，t ) (如圖1)，控制面上f=0，控制面內(nèi)f＜0，控制面外f＞0．

在計(jì)算高速行駛汽車的氣動(dòng)噪聲時(shí)，一般文獻(xiàn)只考慮了表面的偶極子聲源，而忽略了其它聲源項(xiàng)．為了更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，本文對(duì)單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源項(xiàng)均進(jìn)行了考慮，故采用ACTRAN中的FW－H方程(式(3) )進(jìn)行計(jì)算．

圖1　控制面示意

2　數(shù)值計(jì)算方法

2．1模型及計(jì)算域

本文數(shù)值仿真的幾何條件與所做風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的幾何條件基本相同，整車計(jì)算域的長(zhǎng)、寬和高分別為車身的12倍、6倍和5倍，邊界條件的設(shè)定見圖2．

圖2　整車的全計(jì)算域

為能準(zhǔn)確捕捉到后視鏡及其周圍的壓力脈動(dòng)并節(jié)省計(jì)算資源，利用Start-CCM+的LES湍流模型和子域相結(jié)合的方法對(duì)后視鏡和側(cè)窗區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算．子域計(jì)算域的長(zhǎng)、寬和高分別為后視鏡長(zhǎng)的6倍、5倍和4倍，邊界條件的設(shè)定見圖3．

圖3　計(jì)算子域

采用本文的數(shù)值仿真方法對(duì)圖4所示的3款后視鏡進(jìn)行研究:方案Ⅰ為原狀態(tài)視鏡，方案Ⅱ?yàn)橐恢荛_槽后視鏡，方案Ⅲ為底部凸起而其余部分開槽的后視鏡，幾何模型中參數(shù)D是上鏡殼所開溝槽的深度．

圖4　后視鏡的3種幾何模型

2．2數(shù)值計(jì)算

CFD計(jì)算流場(chǎng)的精確程度直接決定著聲學(xué)軟件計(jì)算聲場(chǎng)的準(zhǔn)確度．為提高計(jì)算流場(chǎng)精確度和節(jié)約計(jì)算時(shí)間，分別采用全域(1 000萬)和子域(300萬)兩種方法進(jìn)行．運(yùn)用定常法計(jì)算全域，結(jié)果收斂后輸出子域控制面上的Table數(shù)據(jù)作為下一步子域計(jì)算的初始條件，然后刪除全域網(wǎng)格保留子域，對(duì)子域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最后用非定常法和大渦模擬法計(jì)算子域流場(chǎng)物理量．在計(jì)算流場(chǎng)參量時(shí)，運(yùn)用二階迎風(fēng)格式對(duì)連續(xù)性方程和N－S方程進(jìn)行離散，算法使用PESIO法．根據(jù)奈奎斯特定理，確定流場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣樣本容量，運(yùn)用傅里葉變換，將子域計(jì)算的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)，并將其作為ACTRAN中F－WH的聲源項(xiàng)，對(duì)內(nèi)場(chǎng)聲波的傳播進(jìn)行了計(jì)算．

對(duì)某SUV整車做了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣干燥，溫度為20℃，空氣的密度為1．293 kg/m3，實(shí)驗(yàn)過程中用膠帶對(duì)某SUV進(jìn)行全密封．這樣只考慮后視鏡對(duì)整車氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)．在車內(nèi)主駕駛位及后排左側(cè)座位人工頭的左耳和副駕駛位及后排右側(cè)座人工頭的右耳均布置了麥克風(fēng)，來監(jiān)測(cè)氣動(dòng)噪聲傳至車內(nèi)的響應(yīng)，進(jìn)而評(píng)價(jià)車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的水平．圖5是方案I的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線，圖中的實(shí)驗(yàn)曲線是主駕駛位人工頭左耳上麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)到的響應(yīng)曲線．由圖5可知，在500～1 500 Hz頻段內(nèi)仿真結(jié)果波動(dòng)較大，這是因?yàn)椴Ａ?duì)不同頻率的氣動(dòng)噪聲隔聲量不同，忽略玻璃結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及分層，也沒有考慮玻璃的濾波作用，故仿真的頻譜曲線波動(dòng)較大．但從圖5可以看出:方案I的數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，說明本數(shù)值計(jì)算方法在研究汽車氣動(dòng)噪聲過程中的正確性、可靠性及可行性．該方法可保證計(jì)算結(jié)果的合理性，能為后視鏡研發(fā)設(shè)計(jì)提供可靠的計(jì)算方法．

圖5　數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3　計(jì)算結(jié)果分析

3．1流場(chǎng)分析

汽車高速行駛過程中，氣體與汽車產(chǎn)生劇烈的相互作用，后視鏡區(qū)域是氣流變化劇烈的區(qū)域，3種方案的后視鏡后面和側(cè)窗外側(cè)均有漩渦產(chǎn)生．3種方案計(jì)算條件(邊界條件和初始條件)均相同，計(jì)算了速度120 km/h行駛的汽車氣動(dòng)噪聲問題，并分析了其結(jié)果．

氣流流經(jīng)后視鏡，產(chǎn)生氣體分離和脫落，形成了漩渦，圖6為3種方案的速度矢量圖．由圖6可知:方案Ⅰ后視鏡后側(cè)與側(cè)窗外前側(cè)流場(chǎng)區(qū)是主漩渦區(qū)，且有漩渦貼近側(cè)窗;方案Ⅱ后視鏡后側(cè)與側(cè)窗外側(cè)流場(chǎng)區(qū)均有漩渦，且無漩渦貼近側(cè)窗后;方案Ⅲ后視鏡后側(cè)與側(cè)窗外側(cè)流場(chǎng)區(qū)均有漩渦，且漩渦偏離側(cè)窗．方案Ⅲ的流場(chǎng)區(qū)域中的漩渦比方案Ⅰ和方案Ⅱ偏離側(cè)窗較遠(yuǎn)，這就減弱了由后視鏡產(chǎn)生的湍流壓力脈動(dòng)直接作用在側(cè)窗玻璃上引起的氣動(dòng)噪聲，方案Ⅲ的后視鏡底部特征凸起將后視鏡后側(cè)的漩渦向遠(yuǎn)離側(cè)窗的方向偏離，故方案III能較好地改善流場(chǎng)分布．

圖6　后視鏡速度矢量圖

圖7是3種方案壓力云圖．由圖7可知:方案Ⅰ后視鏡后側(cè)與側(cè)窗外前側(cè)等壓線較密集，壓力梯度變化大，氣流速度變化大，氣流容易產(chǎn)生分離，致使漩渦生成、脫落、破裂，氣流的湍流程度加劇，此區(qū)域脈動(dòng)壓力遠(yuǎn)高于其它部位，且貼近側(cè)窗區(qū)域變化更為劇烈;方案Ⅲ后視鏡后側(cè)與側(cè)窗外側(cè)等壓線較稀疏，壓力梯度變化較小，氣流分離和再附著程度較小，且湍流區(qū)域由側(cè)窗向外偏離，壓力脈動(dòng)要優(yōu)于其它兩種方案．方案III后視鏡底部特征凸起能較好削弱由后視鏡引起湍流脈動(dòng)壓力變化，改善了聲源分布，因此是一款較好的后視鏡．

圖7　后視鏡壓力云圖

3．2頻譜分析

車外的氣動(dòng)噪聲主要由風(fēng)窗噪聲構(gòu)成，為便于評(píng)價(jià)噪聲分布情況，在車外和側(cè)窗上布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(后視鏡正后方、后視鏡鏡臂上方、前三角窗及駕駛員左耳同高度的側(cè)窗玻璃上)，最后一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線如圖8所示．由圖8可以看出:風(fēng)窗噪聲具有較寬的頻率范圍，屬于寬頻帶噪聲，無明顯峰值出現(xiàn)，其能量主要分布在低頻段，隨頻率的逐漸增加而逐漸下降，在1 800 Hz以上頻率段能量衰減較緩慢，趨于平穩(wěn)．比較發(fā)現(xiàn)3條曲線隨頻率增加變化趨勢(shì)基本一致．方案Ⅰ曲線位于曲線族上方，方案Ⅲ的曲線位于曲線族下方且聲壓級(jí)在整個(gè)頻率段均較小，該方案后視鏡底部特征凸起削弱了行駛過程中形成的氣動(dòng)噪聲能量，故方案III的凸起有較好的降噪功能．

圖8　外場(chǎng)測(cè)點(diǎn)頻譜

在工程上，評(píng)價(jià)車內(nèi)氣動(dòng)噪聲水平的高低均在駕駛員左耳布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖9是駕駛員左耳處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜曲線．玻璃對(duì)寬頻噪聲隔聲量隨頻率的變化而改變，由后視鏡引起的寬頻氣動(dòng)噪聲通過車窗玻璃向車內(nèi)傳播時(shí)，玻璃的隔聲量不同，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有考慮玻璃結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及分層，也忽略了玻璃的濾波作用，故頻譜曲線中波峰較多，但頻率在1 800 Hz以上無明顯波峰，這是寬頻噪聲特性．后視鏡的基頻為40 Hz左右，能量基本集中在低頻段，故有圖9的峰值出現(xiàn)，中高頻段的能量隨頻率的增加衰減緩慢，逐漸趨于平穩(wěn)，方案III的底部特征凸起可較好地改善氣動(dòng)噪聲經(jīng)側(cè)窗傳遞至車內(nèi)聲場(chǎng)的分布，提高了司乘人員乘坐的舒適度．

圖9　內(nèi)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)頻譜

4　結(jié)　論

1)采用Star-CCM+和ACTRAN相結(jié)合的方法，對(duì)某車型三款后視鏡進(jìn)行CFD和聲學(xué)仿真計(jì)算．全域和子域分步計(jì)算流場(chǎng)，采用聲類比的思想結(jié)合計(jì)算聲場(chǎng)得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了此數(shù)值計(jì)算方法的正確性．

2)汽車以120 km/h的速度行駛時(shí)，方案III的后視鏡底部特征凸起削弱了氣流流經(jīng)后視鏡產(chǎn)生壓力梯度變化，將車外流場(chǎng)漩渦位置由側(cè)窗向外顯著偏離，減少了湍流脈動(dòng)壓力對(duì)側(cè)窗的作用，改善了聲場(chǎng)的分布，提高了司乘人員的舒適性．

3)后視鏡的基頻為40 Hz，決定了氣動(dòng)噪聲的能量主要分布在低頻段，并隨頻率逐漸增加而下降，在1 800 Hz以上頻率段能量衰減較緩慢，并趨平穩(wěn)．

4)本文方法可優(yōu)化車內(nèi)聲場(chǎng)分布，為汽車研發(fā)設(shè)計(jì)階段的聲學(xué)計(jì)算提供了一種可靠的計(jì)算方法．

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(編輯楊波)

Numerical simulation of wind noise of a kind of SUV vehicle rear-view mirror

LIU Haijun1，2，3，REN Bingyin1，XU Xu3，ZHAO Weifeng3，LIU Erbao3，LIANG He3，PENG Xingzhi2
(1．School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China; 2．College of Civil Engineering and Architecture，Hebei University，071000 Baoding，Hebei，China; 3．Technological Center of Great Wall Automobile Co．，Ltd，Hebei Automobile Technology Research center，071001 Baoding，Hebei，China)

Abstract:Calculation of the acoustics noise is divided into calculation of flow field and acoustic field based on the acoustic analogy theory．Numerical simulation of aeroacoustics noise caused by a kind of SUV vehicle rear-view mirror is finished by combining calculation of flow field step by step in complete domain＆subdomain with calculation of acoustics field by ACTRAN．The simulation results of aeroacoustics noise caused by the rear-view mirror are well consistent with the experimental results．The accuracy and reliability of numerical simulation method is verified．The aeroacoustics noises caused by the optimized rear-view mirrors are simulated with this method．The contours of external flow field，internal＆external acoustics field and the curves of sound pressure level spectrum of the vehicle are obtained．The outflow field turbulent fluctuation pressure，the vortex and the distribution location of the sound source are improved in the scheme III of the rear-view mirror by analyzing the variation rule of flow field contour and the spectrum curve of acoustics field．The aeroacoustics noise propagated into cabin through the side window is weakened．The distribution of internal acoustics field in cabin is optimized and the comfortability of driver and passengers is improved．

Keywords:aeroacoustics noise; vehicle rear-view mirror; acoustic analogy theory; acoustic field; flow field

通信作者:任秉銀，renby@ hit．edu．cn．

作者簡(jiǎn)介:劉海軍(1979—)，男，博士后，副教授;任秉銀(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師．

基金項(xiàng)目:河北省青年自然科學(xué)基金(QN2014185)．

收稿日期:2015－06－30．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．005

中圖分類號(hào):U461．1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367－6234(2016) 01－0035－05