側風下某車型A柱風噪優化研究

王 俊，龔 旭，董國旭,2，陳如意,2，李 林

(1.重慶長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶 401120; 2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401120)

2016194

側風下某車型A柱風噪優化研究

王 俊1，龔 旭1，董國旭1,2，陳如意1,2，李 林1

(1.重慶長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶 401120; 2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401120)

首先通過CFD分析發現某車型在側風下風噪明顯變大，而減小前風窗與A柱的斷差和優化A柱型面可將A柱氣流分離區體積分別減小約35%和20%，而在A柱添加裝飾件可明顯地減小A柱分離區的體積，最大降幅可達到64%。其次，通過大渦模擬對側風下A柱裝飾件和原狀態的流動特征和側窗表面聲壓級進行對比分析表明，A柱添加裝飾件后的側窗表面的面積權重聲壓級在62.5～2 000Hz范圍內可降低2.4～6.1dB。車內測試表明，裝飾件方案對聲壓級和語音清晰度有明顯的改善效果，且側風下效果更明顯，最大可到1.4dB(A)和8.1%。最后簡潔地總結了A柱的設計要點和改善風噪的措施。

汽車；風噪；A柱；側風；風洞測試

前言

當車速達到120km/h時，氣動噪聲(也稱風噪)成為主要的噪聲源，較大的風噪會影響車內語音清晰度，影響乘員之間的交流，同時讓長途行駛的駕駛員和乘員感到疲勞。市場調查發現，目前消費者對汽車性能抱怨最多的問題之一就是氣動噪聲過高。因此，研究和降低氣動噪聲己成為控制高速車輛噪聲的關鍵技術之一。

后視鏡的風噪問題一直備受關注，其分析和測試研究較多。文獻[1]中提出一種流場中聲波分離方法用于近場聲源計算，并用3種外型的后視鏡進行聲場計算來驗證該方法。文獻[2]中通過側窗和車門兩種位置的外后視鏡對比，發現位于車門的后視鏡更安靜。而近幾年來，眾多車企和學者逐漸開展了雨刮、底盤和車內噪聲預測的研究，同時開始關注側風狀態下的風噪。如文獻[3]中研究了不同停放位置與駐放位置的雨刮對車內噪聲的影響，表明側風和較高的停放位置均會明顯增加風噪；文獻[4]中研究一款轎車底盤對車內噪聲的影響，獲知底盤對30～500Hz頻段的噪聲有一定的貢獻量；文獻[5]中對風噪源的特性和乘員艙內的噪聲進行了較為系統的分析和測試；文獻[6]中對有無側風兩種情況下的車內噪聲進行了計算和測試，通過計算流體動力學(CFD)和統計能量法(SEA)預測車內噪聲，得出在側風下，其背風側的噪聲會明顯高于無側風。

某車型在工裝樣車開發階段進行主觀駕評時，發現該車在側風的環境下風噪尤為明顯，經初步分析確定為A柱的風噪問題，而國內尚未對側風下風噪進行研究。文獻[7]中對無側風下A柱裝飾件進行仿真分析和測試，得出A柱裝飾件能在700～5 500Hz頻段內改善乘員艙內噪聲約2dB(A)，但文獻[7]中僅研究了無側風下有無裝飾件對A柱風噪的影響。本文中通過對該款車型A柱的研究，計算獲得側風下A柱分離區的影響因素排序，并對裝飾件進行參數化分析，獲得最優方案，通過大渦模擬(LES)獲得側窗表面聲壓改善幅度并對標風洞測試結果，用來確定分析結果的可信性，同時對車內噪聲的影響進行測試。最后通過此研究提出了低風噪A柱設計方案和優化方法，避免再次出現類似問題。

1 原狀態平均流場分析

在實際行駛過程中，由于道路和環境的狀態，譬如彎道、路橋、開闊路面和有風天氣，車輛會存在偏航角或者處于側向風的環境中，其可以統一采用較小的偏角來研究，圖1為風洞試驗中的偏角示意圖。車輛在合成風風速為120km/h和-10°偏航角狀態時，側向風依據三角關系分解后約為20.8km/h(即5.78m/s)，屬于4級和風。

圖1 不同偏角的示意圖

對原狀態進行雷諾平均流場計算，獲得-10°和0°偏角下的空間流線、氣流分離區、壓力分布和表面流線，如圖2和圖3所示。

圖2 原狀態的流場(-10°偏角)

圖3 原狀態的流場(0°偏角)

由圖2可見：在-10°偏角下，背風區，即駕駛員側的A柱分離區非常明顯，側窗上部分區域被分離區所覆蓋；觀察到流線在A柱分離區內不斷翻轉，表示A柱形成了強烈的旋渦；A柱有非常顯著的負壓區域，且側窗的負壓區域較大，氣流動量損失明顯；側窗的表面流線顯示，側窗表面的大面積氣流因為被A柱分離區的負壓抽吸而流向A柱分離區。

由圖3可見：在0°偏角下，A柱分離區并不明顯，A柱附近的流線雖然上揚，但并沒有形成強烈的旋流；A柱有明顯的負壓區域，側窗的負壓區域較小，側窗的表面流線顯示，氣流被抽吸的現象并不明顯。

通過CFD分析證實，該車型在側風作用下，其流場發生明顯改變，導致其風噪變大，而0°偏角的常規分析卻難以發現A柱的風噪問題。

2 側風下A柱氣流分離區的影響因素

原狀態A柱的斷面結構如圖4所示。由圖不難發現：該車型A柱前沿的第Ⅰ段平面(迎風平面)很窄，僅約為8mm，而第Ⅱ段接近平面；其A柱與前風窗的斷差約為20～22mm。對于流動導致的噪聲而言，通常可通過改善流動狀態來減小噪聲。因此探討在-10°偏角下，運用雷諾平均方法獲得A柱的結構與其分離區體積的關系，期望能找到改善A柱附近的流動狀態，減小分離區范圍，最終達到改善A柱風噪的方法。

圖4 原狀態A柱的斷面結構

2.1 A柱與前風窗的斷差

A柱與前風窗之間的斷差D見圖4。以2mm的間隔，將其從原始的22減小至14mm。通過CFD分析，計算改變斷差后的分離區體積V1與原狀態分離區體積V0的百分比，獲得A柱斷差D與V1/V0的關系圖，如圖5所示。圖上顯示出兩段直線，直線2斜率約為直線1斜率的2倍，表明斷差減小到18mm以后，再減小斷差，分離區會減小更加明顯。減小斷差對分離區的改善效果在35%以內。

圖5 A柱斷差與A柱分離區體積關系

2.2 A柱型面

通過研究發現，A柱的型面過于平直，不利于氣流沿著A柱型面圓滑地流向后方，可將A柱型面向外凸起，如圖6所示，以避免氣流提前分離，減小分離百分比。型面凸起量C從0增至5mm(間隔1.25mm)時分離百分比的變化如圖7所示。

圖6 A柱型面凸起量示意圖

圖7 A柱凸起量與分離區體積關系

由圖可見，隨著C的增加，分離區體積持續減小。圖上顯示出3段直線，下一段直線斜率依次約為上一段直線斜率的2倍，表明C越大，分離區的減小越明顯。增加A柱凸起量對分離區的改善效果在20%以內。

圖8和圖9分別為A柱段差為14mm和凸起5mm時的分離區。由圖可見，減小斷差和型面凸起后，A柱分離區比原來減小，但流場結構并未發生明顯改變。

圖8 A柱斷差為14mm的分離區

圖9 凸起5mm時的分離區

2.3 A柱裝飾件的參數化分析

為進一步降低A柱分離區體積，在A柱前沿增加裝飾件，對矩形截面A柱裝飾件的高度H和寬度W進行參數化分析，考察這兩個參數對分離區體積的影響。高度為18mm的裝飾件，基本與A柱的斷差相當，可以近似看作A柱第Ⅰ段型面的拓展。圖10為同一寬度W下，不同高度H裝飾件的示意圖。

圖11為A柱裝飾件參數對分離區體積的影響。由圖可見，增加裝飾件的高度H或寬度W均會減小A柱的分離區體積。當H=10mm，W=12mm時，分離區體積僅減小了約20%，可見較小尺寸的裝飾件對分離區的體積改善并不明顯。當H=18mm，W=20mm時，分離區的體積最小，減小了約64%。當H=18mm時，W在12～20mm范圍內分離區體積相對原狀態都會明顯減小，表明高度上更接近A柱斷差的裝飾件對分離區改善效果更明顯，而當寬度達到16mm后，再增加裝飾件寬度，分離區體積難以再明顯減小。由此可知，第Ⅰ段型面對分離區的影響非常顯著，合理的第Ⅰ段平面寬為24mm(裝飾件寬度16mm+現有第Ⅰ段平面寬度8mm)。

圖10 不同高度的裝飾件的示意圖

圖11 A柱裝飾件參數對分離區體積的影響

圖12為4種參數裝飾件的A柱的流線和A柱中段的水平截面的總壓圖。當裝飾件高度較小(H=10mm)時，寬度W=16mm相對W=12mm和W=20mm擁有較小的分離區，這是因為裝飾件的這個寬度剛好可使氣流從前風窗過渡到A柱，最遲發生氣流分離。流線顯示W=16mm時A柱附近的氣流速度最大，表明A柱對氣流的阻礙最小，能量損失也最小。而當H=18mm和W=20mm時，流線更靠近側窗，從總壓圖可以看出，氣流到達A柱末端才開始分離，所以其分離區較其他參數都小。

圖12 4種參數裝飾件的A柱的流線和分離區

圖13為安裝H=18mm和W=20mm的裝飾件后的流場。由圖可見：相對于原狀態，A柱的分離區明顯變小，A柱附近的空間流線更為集中；側窗的負壓分布發生改變，更加靠近A柱且負壓區域顯著變小；側窗表面流線顯示，側窗附近的氣流被A柱分離區的負壓抽吸現象有明顯減弱，較多的氣流順暢地往車身后部流去。下面將以此參數的A柱裝飾件進行非定常流場分析和風洞測試驗證。

3 側風下非定常流場研究

大渦數值模擬(LES)的主要思想是：大尺度湍流直接使用數值求解，只對小尺度湍流脈動建立模型[8]。將上述雷諾平均流場計算結果設為非定常流分析的初始場，采用大渦數值模擬進行求解，獲得側窗區域的非定常流場，如圖14所示。由圖可見：A柱產生非常明顯的分離，形成沿A柱方向的縱向渦流，此渦流距離側窗位置較近，會對氣動噪聲造成顯著影響；氣流附著于后視鏡迎風面上，并很快從后視鏡后端邊緣脫落，形成了環狀渦流結構，接著，它繼續向下游發展并破碎消散。文獻[9]中指出，對于低速射流而言，環狀渦流結構的發展和破碎是產生氣動噪聲的主要原因。

圖13 H=18mm和W=20mm裝飾件的流場

圖14 側窗區域的非定常流場顯示

同時可以看到，從前罩裝飾件分離的氣流拍打到后視鏡迎風面，使流場更加紊亂。增加裝飾件后，A柱的旋渦區域顯著減小，導致A柱的旋渦與后視鏡尾渦之間的相互干擾明顯減弱。

圖15為原狀態(上圖)和裝飾件方案(下圖)在250，500和1 000Hz3個倍頻程的側窗表面聲壓級分布對比。由圖可見：兩者在中低頻下側窗表面的聲壓級較高，隨著頻率增加，聲壓級明顯降低，湍流脈動引起的能量在中低頻較高；安裝A柱裝飾件后，A柱影響區明顯變小，氣流在附著區的安靜地帶明顯變大，整體看出側窗表面的聲壓級均較原狀態有明顯降低。

圖15 不同倍頻程下側窗表面聲壓級分布圖

圖16為倍頻程分析得到的在62.5～2 000Hz范圍內，原狀態和裝飾件方案側窗表面的面積權重聲壓級的對比。由圖可見：裝飾件方案的聲壓級比原狀態明顯降低，在62.5～125Hz低頻段改進效果更為顯著，最大達到了6.1dB，在250Hz以上頻率段改進幅度穩定在2.5dB左右。

圖16 側窗表面的面積權重的聲壓級對比

4 試驗驗證和研究

4.1 側風下表面聲壓級測試與對標

圖17為安裝A柱裝飾件的測試樣車在上海地面交通工具風洞中心(SAWTC)的測試前準備。測試車輛未封閉進氣格柵，底盤未作任何處理。

圖17 裝飾件方案的測試準備

采用HEAD acoustics 36通道采集設備SQlabⅢ和B&K汽車類表面微型傳聲器進行采樣，駕駛員側每次布置3個測點，測量2次，如圖18所示。測點L1-2和L2-1處于A柱的氣流影響區，L2-2靠近后視鏡尾渦末端，L1-1和L1-3處于氣流再附著區，L2-3離乘員艙人耳最近。

圖18 表面聲壓測試的測點分布圖

使用HEAD ArtemiS軟件進行后處理，得到各個測點的聲壓頻譜圖，并與CFD計算結果對比，結果如圖19和圖20所示。由圖可見：在100～3 000Hz范圍內，絕大部分測點的原狀態和裝飾件方案的計算值分別與其對應的測試值較為吻合；但在3 000Hz以上的高頻段吻合較差，其原因是計算網格存在一個截斷頻率，高于該頻率后計算誤差會明顯加大，這符合風噪仿真特性。

從各個測點的總聲壓級來看，原狀態的誤差范圍約為0.4～4.5dB；優化方案的誤差范圍約為0.1～3.7dB。CFD模型使用封閉進氣格柵和平整簡化的底盤，而測試車輛使用實車狀態，氣流的分配和流動狀態會存在一定的差異，導致分析與試驗存在誤差。另外測試所使用的表面微型傳聲器會輕微改變側窗表面的流場引入試驗誤差，因此每次應該盡量布置較少的測點，而進行多次測量。綜上所述，可以看出CFD分析結果具有較高的準確性和可信性。

圖19 原狀態測點的聲壓頻譜圖對標

圖20 裝飾件方案測點的聲壓頻譜圖對標

圖21為原狀態與優化方案的試驗結果對比。由圖可見，位于A柱影響區的L1-2和L2-1的總聲壓并沒有改善，位于后視鏡影響區的L2-2的總聲壓有所改善，而位于再附著流區域的L1-1，L1-3和L2-3總聲壓級改善非常明顯，其與CFD分析亦是吻合的。平均流場分析發現，優化方案A柱的分離區范圍明顯減小，但是分離區內流線更加集中，旋流更加明顯；從大渦模擬分析的流態和側窗表面聲壓級可以看出，A柱影響區明顯減小，但變小后的A柱影響區的聲壓級并沒有明顯變化，其改變發生在A柱影響區以外的后視鏡影響區和再附著流區域。

圖21 原狀態與優化方案的試驗結果對比

4.2 車內噪聲改善效果的確認

在風洞中依據GB/T18697—2002《聲學-汽車車內噪聲測量方法》，在駕駛員和前排乘員左右耳處布置共4個傳聲器采集車內聲壓級和語音清晰度。獲得原狀態和裝飾件方案兩種工況下的改善效果，如表1所示。

從表1可以看出：在0°偏角下，裝飾件方案相對于原狀態總聲壓級降低0.5～0.9dB(A)，語音清晰度提高2.8%～3.5%，乘員艙內風噪改善明顯；在-10°偏角下，裝飾件方案相對于原狀態總聲壓級降低約0.5～1.4dB(A)，語音清晰度提高3.7%～8.1%。在-10°偏角下的改善效果明顯優于0°偏角，表明裝飾件方案對側風改善更為明顯。在-10°偏角下，4個測點的總聲壓級和語音清晰度的改善效果從駕駛員左耳到前排乘員右耳依次減小，說明背風側較迎風側的改善效果更明顯。

表1 乘員艙內聲壓級和語音清晰度的改善效果

值得一提的是，在后續研究過程中，還對H=10 mm和H=18mm的兩種高度(W均為20mm)的裝飾件進行道路試驗和主觀駕評，顯示H=10mm的裝飾件亦能明顯降低車內駕駛員外耳的噪聲，但改善效果弱于上述高裝飾件方案。

5 結論

本文中通過平均流場分析發現， A柱型面的第Ⅰ段平面對分離區影響非常明顯， 當增加H=18mm且W=20mm的裝飾件后，分離區體積減小了約60%，說明第Ⅰ段平面為風噪最佳控制要素；其次為A柱與前風窗的斷差，當斷差為14mm時，分離區減小約35%；最后是第Ⅱ段型面，分離區減小約20%。

對A柱裝飾件的參數進一步研究發現：增加裝飾件的高度或增加寬度均會減小A柱分離區體積，當裝飾件的高度或寬度較小時，改善效果較弱，而且存在最佳組合；當高度達到14mm或寬度達到16mm以上，A柱分離區體積接近合理范圍，并且難以再明顯減小。

通過大渦模擬發現，增加較高且較寬A柱裝飾件后，A柱的旋渦區域顯著減小，導致A柱的旋渦與后視鏡尾渦之間的相互干擾明顯減弱。從側窗表面面積權重的聲壓級來看，在62.5～2 000Hz范圍內，裝飾件方案的總聲壓級要比原狀態低2.4～6.1dB。用側窗表面測點的聲壓級來驗證分析精度，表明風洞測試與CFD分析結果吻合較好，測試對比確定了裝飾件能減低后視鏡影響區和氣流再附著區域的聲壓級，但A柱影響區的聲壓級沒有變化。車內聲壓級和語音清晰度亦驗證了優化方案效果明顯，且側風下效果更明顯，最大可達1.4dB(A)和8.1%。

側風狀態下流場會發生明顯改變，用A柱分離區體積評估A柱風噪性能是可行的。建議在A柱設計時，盡量降低A柱與前風窗之間的斷差，將第Ⅰ段平面(迎風平面)留足24mm，第Ⅱ段保證一定的凸起量避免做成平面。如果無法保證第Ⅰ段尺寸要求，則須考慮安裝A柱裝飾件，高度接近A柱斷差，寬度則保證與第Ⅰ段平面寬度的和值24mm，并進行CFD分析確認。

[1]KATOY.Numericalsimulationsofaeroacousticfieldsaroundautomobilerear-viewmirrors[C].SAEPaper2012-01-0586.

[2]MUTNURIL,SENTHOORANS,POWELLR,etal.Computationalprocessforwindnoiseevaluationofrear-viewmirrordesignincars[C].SAEPaper2014-01-0619.

[3]NEUHIERLB,SCHROECKD,SENTHOORANS,etal.Acomputationalaeroacousticstudyofwindshieldwiperinfluenceonpassengervehiclegreenhousewindnoise[C].SAEPaper2014-01-2051.

[4]POWELLR,MORONP,BALASUBRAMANIANG,etal.Simulationofunderbodycontributionofwindnoiseinapassengerautomobile[C].SAEPaper2013-01-1932.

[5]BLANCHETD,GOLOTAA,ZERBIBN,etal.Windnoisesourcecharacterizationandhowitcanbeusedtopredictvehicleinteriornoise[C].SAEPaper2014-01-2052.

[6]GRAFA,LEPLEYD,SENTHOORANS.Acomputationalapproachtoevaluatethevehicleinteriornoisefromgreenhousewindnoisesources-partII[C].SAEPaper2011-01-1620.

[7]LIY,KASAKIN,TSUNODAH,etal.Evaluationofwindnoisesourcesusingexperimentalandcomputationalmethods[C].SAEPaper2006-01-0343.

[8] 張兆順,崔桂香,許春曉.湍流大渦數值模擬的理論與應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

[9]HUSSAINAKMF,ZAMANKBMQ.Thepreferredmodeoftheaxisymmetricjet[J].JournalofFluidMechanics,1981,110:39-71.

A Study on Aeroacoustic Noise Optimization for a Vehicle A-pillar Under Crosswind

Wang Jun1, Gong Xu1, Dong Guoxu1,2, Chen Ruyi1,2& Li Lin1

1.ChongqingChanganAutoR&DCenter,ChanganAutomobileCo.,Ltd. ,Chongqing401120;2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing401120

Firstly, it is found by CFD analysis that the aeroacoustic noise of a vehicle obviously increases under a crosswind condition and reducing the flush between front windshield and A-pillar and optimizing A-pillar surface can decrease the volume of airflow separation zone by 35% and 20% respectively under crosswind, and adding a garnish part on flush can significantly reduce the volume of airflow separation zone up to 64% at most. Next, the flow characteristics and the sound pressure level of side window surface of the scheme with garnish part added and original state under crosswind are comparatively analyzed by large eddy simulation with a result showing that with the garnish part added, the area weighted sound pressure level of side window surface lowers by 2.4～6.1dB in a frequency range of 62.5～2 000Hz. Then, an interior testing indicates that the sound pressure level and speech articulation has apparent improving effect, which in particular in low frequency range, can be up to 1.4dB(A) and 8.1% respectively. Finally the design highlight of A-pillar and the measures for improving wind noise are briefly summarized.

vehicles; aeroacoustic noise; A-pillar; crosswind; wind tunnel test

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月11日。