某SUV型汽車后視鏡氣動噪聲數值仿真

劉海軍，任秉銀，徐　旭，趙偉豐，劉二寶，梁　赫，彭興芝

(1．哈爾濱工業大學機電工程學院，150001哈爾濱; 2．河北大學建筑工程學院，071000河北保定; 3．長城汽車股份有限公司河北省汽車工程技術研究中心，071000河北保定)

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某SUV型汽車后視鏡氣動噪聲數值仿真

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．哈爾濱工業大學機電工程學院，150001哈爾濱; 2．河北大學建筑工程學院，071000河北保定; 3．長城汽車股份有限公司河北省汽車工程技術研究中心，071000河北保定)

摘要:為有效降低汽車氣動噪聲，依據聲類比思想將氣動噪聲計算分成流場和聲場計算，采用全域與子域分步計算流場和ACTRAN計算聲場相結合的方法對某SUV型汽車后視鏡的3種方案的氣動噪聲進行數值仿真，得到車外流場與車內外的聲場及聲壓級頻譜曲線，分析流場云圖和聲壓級頻譜曲線的變化規律．結果表明:方案III的后視鏡因邊緣凸起改善了側窗外流場湍流脈動壓力、漩渦和聲源位置分布，減少了后視鏡通過側窗傳播到車內的噪聲．數值仿真結果與實驗測試結果吻合較好，驗證了方法的正確性．該方法可優化車內聲場的分布，提高司乘人員舒適性．

關鍵詞:氣動噪聲;汽車后視鏡;聲類比;聲場;流場

噪聲、振動與聲振粗糙度NVH(noise，vibration ＆harshness)在汽車研發過程中的重要性越來越引起研究人員的關注．影響NVH的主要因素有發動機、傳動系、路面激勵及氣動噪聲等，前3種因素導致的噪聲均已有了有效的控制方法，而氣動噪聲更復雜，目前還沒有有效的控制方法，成為影響車內噪聲的重要因素［1］．

國外學者對氣動噪聲的基本理論研究開展較早．如英國科學家Lighthill［2］在1952年運用微分方法從流體力學連續性方程和運動方程直接推導出運動氣體發聲的Lighthill基本方程，建立了聲波波動量與流場參量間的直接聯系．該方程左邊是經典聲學波動方程，其他偏離波動方程的項被移至方程的右邊，作為氣動噪聲的聲源項，整理后的聲源項可以由實驗或數值仿真計算得到，然后通過求靜止介質中聲場的解，便可以把復雜的聲學問題轉化為流場和聲場問題分開處理，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的Lighthill聲源項(四極子聲源)．由于Lighthill方程沒有考慮物體邊界對聲音的影響，1955年Curle［4］在Lighthill基本方程基礎上考慮了靜止物體邊界對聲音的影響，導出了更一般的Lighthill方程形式．1969年Ffowcs-Williams等［5］把Curle方程應用于求解流體中運動物體的發聲問題，得出更一般的氣動聲學方程(簡稱FW－H方程)．應用FW－H方程、計算流體動力學和振動聲學仿真的方法［6－7］求解外部流體流經車身表面產生的湍流脈動壓力，可以預測和評估氣動噪聲水平［8］．

國內學者對氣動噪聲的研究要晚于西方國家．近年來，實驗和仿真兩方面的研究發現:汽車的后視鏡、A柱、前擋風玻璃、進氣柵、車頂篷、側窗、天窗、車輪、底盤和門把手均為氣動噪聲貢獻較大的關鍵部位．當汽車行駛速度＜80 km/h時，氣動噪聲對車內司乘人員舒適度的影響較小，而當汽車行駛的速度＞80 km/h時，尤其在高速路上以120 km/h高速行駛時，氣動噪聲與車速的六次方成正比［9］，傳遞到車內的氣動噪聲對司乘人員舒適度的影響較大．對于高速行駛的汽車，車外形成的流場是比較復雜的湍流［10］，尤其是后視鏡、A柱、車輪、底盤和天線附近的流場比較復雜，壓力脈動變化較劇烈，對近場氣動噪聲的總聲壓級貢獻量較大，而雨刮器和天線的影響相對較小［11］．后視鏡是氣動噪聲的主要貢獻量之一，在汽車研發階段，后視鏡與車身的合理搭配可以有效降低流體動力和氣動噪聲．風洞實驗和仿真的方法可用于對普通后視鏡的壓力和速度場的特性進行研究，兩種方法均可以把后視鏡復雜的湍流流場可視化，真實再現后視鏡的流場流動特性，并驗證數值仿真方法的可行性．改變后視鏡前臉厚度、后臉深度、支架長度與迎風角度可降低后視鏡對氣動噪聲的貢獻［12－13］．氣動噪聲實測試驗中，由于道路環境背景較為復雜，不易測出后視鏡對氣動噪聲總聲壓級的貢獻;而數值仿真方法可以較好地模擬后視鏡對氣動總聲壓級的貢獻．普通后視鏡周圍的流場是復雜的湍流流場，伴隨著劇烈的壓力脈動，此脈動是產生氣動噪聲的主要誘因，合理地改善后視鏡的結構可以有效地改善高速行駛汽車外部流場的分布情況，進而可以改善車內的噪聲水平［14－15］．

綜上所述，國內外學者對氣動噪聲研究中多數文獻關注的是后視鏡的外部流場的分布，而研究氣動噪聲經側窗傳遞至車內噪聲問題的相關文獻較少．本文采用Star－CCM+的LES湍流模型［16］計算流場數據和采用聲學仿真軟件ACTRAN中的FWH方程相結合的方法開展不同局部特征后視鏡對車內外噪聲的影響研究．

1　數學控制方程

流體的連續性方程為

動量方程為

由以上兩方程可推出Lighthill方程:

式(1)只能對四極子聲源求解．將該方程推廣到求解表面偶極子聲源，便成為Lighthill-Curle方程:

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

為求解運動物體與流體相互作用產生聲音的問題，將式(2)進一步拓展成更一般的FW－H方程:

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

式(1)～(3)中:ρ為流體的密度，t為時間，c0為均質介質中聲音速度，τij為Lighthill應力張量，vi和vj分別為流體速度分量，δij為克勞內克函數，p為流體微元控制體上的壓力，ρ0和p0分別為未受擾動時介質的密度和流場壓力均值，ρ'和p'分別為流場密度和壓力的脈動值，ui為物體運動的速度．

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

在計算高速行駛汽車的氣動噪聲時，一般文獻只考慮了表面的偶極子聲源，而忽略了其它聲源項．為了更加準確地反映實際情況，本文對單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源項均進行了考慮，故采用ACTRAN中的FW－H方程(式(3) )進行計算．

圖1　控制面示意

2　數值計算方法

2．1模型及計算域

本文數值仿真的幾何條件與所做風洞實驗的幾何條件基本相同，整車計算域的長、寬和高分別為車身的12倍、6倍和5倍，邊界條件的設定見圖2．

圖2　整車的全計算域

為能準確捕捉到后視鏡及其周圍的壓力脈動并節省計算資源，利用Start-CCM+的LES湍流模型和子域相結合的方法對后視鏡和側窗區域的流場進行計算．子域計算域的長、寬和高分別為后視鏡長的6倍、5倍和4倍，邊界條件的設定見圖3．

圖3　計算子域

采用本文的數值仿真方法對圖4所示的3款后視鏡進行研究:方案Ⅰ為原狀態視鏡，方案Ⅱ為一周開槽后視鏡，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數值計算

CFD計算流場的精確程度直接決定著聲學軟件計算聲場的準確度．為提高計算流場精確度和節約計算時間，分別采用全域(1 000萬)和子域(300萬)兩種方法進行．運用定常法計算全域，結果收斂后輸出子域控制面上的Table數據作為下一步子域計算的初始條件，然后刪除全域網格保留子域，對子域進行網格細化，最后用非定常法和大渦模擬法計算子域流場物理量．在計算流場參量時，運用二階迎風格式對連續性方程和N－S方程進行離散，算法使用PESIO法．根據奈奎斯特定理，確定流場數據采樣樣本容量，運用傅里葉變換，將子域計算的瞬態壓力脈動的時域數據轉換成頻域數據，并將其作為ACTRAN中F－WH的聲源項，對內場聲波的傳播進行了計算．

對某SUV整車做了風洞實驗．實驗時天氣干燥，溫度為20℃，空氣的密度為1．293 kg/m3，實驗過程中用膠帶對某SUV進行全密封．這樣只考慮后視鏡對整車氣動噪聲的貢獻．在車內主駕駛位及后排左側座位人工頭的左耳和副駕駛位及后排右側座人工頭的右耳均布置了麥克風，來監測氣動噪聲傳至車內的響應，進而評價車內氣動噪聲的水平．圖5是方案I的數值仿真與實驗結果對比曲線，圖中的實驗曲線是主駕駛位人工頭左耳上麥克風監測到的響應曲線．由圖5可知，在500～1 500 Hz頻段內仿真結果波動較大，這是因為玻璃對不同頻率的氣動噪聲隔聲量不同，忽略玻璃結構細節及分層，也沒有考慮玻璃的濾波作用，故仿真的頻譜曲線波動較大．但從圖5可以看出:方案I的數值仿真結果與實驗結果變化趨勢基本一致，說明本數值計算方法在研究汽車氣動噪聲過程中的正確性、可靠性及可行性．該方法可保證計算結果的合理性，能為后視鏡研發設計提供可靠的計算方法．

圖5　數值仿真與實驗對比

3　計算結果分析

3．1流場分析

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

氣流流經后視鏡，產生氣體分離和脫落，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后視鏡后側與側窗外前側流場區是主漩渦區，且有漩渦貼近側窗;方案Ⅱ后視鏡后側與側窗外側流場區均有漩渦，且無漩渦貼近側窗后;方案Ⅲ后視鏡后側與側窗外側流場區均有漩渦，且漩渦偏離側窗．方案Ⅲ的流場區域中的漩渦比方案Ⅰ和方案Ⅱ偏離側窗較遠，這就減弱了由后視鏡產生的湍流壓力脈動直接作用在側窗玻璃上引起的氣動噪聲，方案Ⅲ的后視鏡底部特征凸起將后視鏡后側的漩渦向遠離側窗的方向偏離，故方案III能較好地改善流場分布．

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后視鏡后側與側窗外前側等壓線較密集，壓力梯度變化大，氣流速度變化大，氣流容易產生分離，致使漩渦生成、脫落、破裂，氣流的湍流程度加劇，此區域脈動壓力遠高于其它部位，且貼近側窗區域變化更為劇烈;方案Ⅲ后視鏡后側與側窗外側等壓線較稀疏，壓力梯度變化較小，氣流分離和再附著程度較小，且湍流區域由側窗向外偏離，壓力脈動要優于其它兩種方案．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

車外的氣動噪聲主要由風窗噪聲構成，為便于評價噪聲分布情況，在車外和側窗上布置了4個監測點(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窗玻璃上)，最后一個監測點的聲壓級頻譜曲線如圖8所示．由圖8可以看出:風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，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．比較發現3條曲線隨頻率增加變化趨勢基本一致．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在整個頻率段均較小，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噪聲能量，故方案III的凸起有較好的降噪功能．

圖8　外場測點頻譜

在工程上，評價車內氣動噪聲水平的高低均在駕駛員左耳布置一個監測點，圖9是駕駛員左耳處監測點的頻譜曲線．玻璃對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噪聲通過車窗玻璃向車內傳播時，玻璃的隔聲量不同，由于實驗時沒有考慮玻璃結構細節及分層，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，中高頻段的能量隨頻率的增加衰減緩慢，逐漸趨于平穩，方案III的底部特征凸起可較好地改善氣動噪聲經側窗傳遞至車內聲場的分布，提高了司乘人員乘坐的舒適度．

圖9　內場測點頻譜

4　結　論

1)采用Star-CCM+和ACTRAN相結合的方法，對某車型三款后視鏡進行CFD和聲學仿真計算．全域和子域分步計算流場，采用聲類比的思想結合計算聲場得到的結果與試驗結果吻合較好，驗證了此數值計算方法的正確性．

2)汽車以120 km/h的速度行駛時，方案III的后視鏡底部特征凸起削弱了氣流流經后視鏡產生壓力梯度變化，將車外流場漩渦位置由側窗向外顯著偏離，減少了湍流脈動壓力對側窗的作用，改善了聲場的分布，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．

4)本文方法可優化車內聲場分布，為汽車研發設計階段的聲學計算提供了一種可靠的計算方法．

參考文獻

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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．

作者簡介:劉海軍(1979—)，男，博士后，副教授;任秉銀(1966—)，男，教授，博士生導師．

基金項目:河北省青年自然科學基金(QN2014185)．

收稿日期:2015－06－30．

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

中圖分類號:U461．1

文獻標志碼:A

文章編號:0367－6234(2016) 01－0035－05