基于FLUENT和STAR—CCM+的整車氣動噪聲源對比

柳陽++許春鐵+昝建明+李啟良+王毅剛

摘要： 為對比FLUENT和STAR-CCM+在整車氣動噪聲源的計算精度，開展某兩廂轎車的氣動噪聲風洞試驗并進行數值仿真.研究發現：2個軟件得到的整車表面總聲壓級分布云圖較相似，各部件噪聲分布特征一致，大小排序相同，但FLUENT得到的總聲壓級大于STAR-CCM+.FLUENT在計算測點總聲壓級與聲壓級頻譜時優于STAR-CCM+，具體體現在：側窗19個點和車身50個點的能量平均值與試驗差值分別僅為0.6 dBA和-0.4 dBA，而STAR-CCM+的差值分別為3.1 dBA和1.7 dBA；兩者在中低頻上差異不大，但FLUENT得到中高頻的聲壓級與試驗更加接近.

關鍵詞： 兩廂轎車； 氣動噪聲源； 總聲壓級； 聲壓級頻譜； 風洞試驗； 數值模擬

中圖分類號： U467.13 文獻標志碼： B

0 引 言

隨著技術的進步和消費者要求的提高，汽車乘坐的舒適性日益重要.噪聲水平的高低很大程度影響著汽車的舒適性.隨著車速的提高和車內噪聲水平的降低，空氣與車輛相互作用產生的氣動噪聲不可小視.風洞試驗是研究氣動噪聲機理和噪聲控制的重要手段.隨著計算機和數值方法的發展，數值仿真也成為預測汽車氣動噪聲的主要手段.

工程中大多采用商業流體軟件實現整車氣動噪聲數值仿真.常用的流體軟件有FLUENT和STAR-CCM+.本文作者曾使用FLUENT的LES湍流模型對單個普通后視鏡表面和氣動噪聲進行仿真分析，給出其壓力脈動特性和氣動噪聲影響因素.[1-2]陳鑫等[3]使用FLUENT的LES湍流模型對單個后視鏡罩邊緣結構對流場和氣動噪聲的影響展開研究，明確不同鏡罩邊緣結構在較大程度上影響流經后視鏡罩的氣流速度和流線方向，對后視鏡后部流場和監測點處聲壓級產生較大影響.劉海軍等[4]利用STAR-CCM+的LES湍流模型對后視鏡非定常流場進行仿真，并采用聲類比思想進行聲場評估，分析流場云圖和聲壓級頻譜曲線的變化規律.整車氣動噪聲源數值仿真也有不少，較多采用FLUENT和STAR-CCM+的LES湍流模型對轎車外部流場進行仿真分析，獲得轎車表面附近流場脈動壓力數據，通過聲類比方法得到測點聲壓級頻譜.[5-8]

雖然國內首座整車氣動-聲學風洞于2009年建成并投入使用，但是由于試驗費用昂貴，絕大多數高校和中小型企業研究人員均無法進行與仿真相對應的風洞試驗，所以絕大部分發表的文獻缺乏試驗支撐.本文利用自身優勢，有針對性地開展某車型氣動噪聲數值仿真和風洞試驗研究，并借助風洞試驗結果系統評估使用FLUENT和STAR-CCM+獲得表面噪聲源的精度，為后續研究提供參考.

1 試驗和仿真方法

為對比FLUENT與STAR-CCM+氣動噪聲仿真的精度和差異，選取某兩廂轎車為研究對象，并在國內首座整車氣動-聲學風洞中進行試驗測量.

1.1 風洞試驗

量產的某兩廂轎車位于風洞試驗段轉盤處.車頭正對噴口，處于無偏航角的空載工況，見圖1.將表面傳聲器安裝在側窗19個、車身其他部位50個測試點，示意見圖2.

試驗采用的聲學測量設備主要包括聲學測量分

析儀器HEAD ACOUSTICS SQLAB III，表面傳聲器和B&K標準聲學校準器.試驗開始前后使用B&K標準聲學校準器對聲學測量設備進行系統校準.設定采集卡的采樣頻率為48 000 Hz，采樣時間為10 s.為減少表面傳聲器自身形狀對流場的影響，將69個測點分成12組，每組6個，最后一組重復第一組的3個測點，用于檢測試驗的可重復性.每組試驗均等待風速穩定到140 km/h再開始采集數據.

計算域取8倍車長、7倍車寬和4倍車高，其中計算域進口距車頭2倍車長，見圖3.使用商業軟件HyperMesh進行面網格劃分.由于整車包括機艙、底盤等復雜部件，在劃分面網格前需要完成幾何簡化，包括碎面合并、刪除短邊等.整車劃分為三角形網格，最小網格位于后視鏡（見圖4）、格柵、門把手和雨刮處，網格尺寸約為1.5～2.5 mm；大網格位于側窗、A柱和C柱等處，尺寸約為2.5～5.0 mm；大多數部件面網格約為5.0～10 mm，其中最大面網格為10 mm.計算域四周劃分為三角形網格，尺寸為150 mm.

面網格檢查無誤后分別導入到FLUENT和STAR-CCM+中生成體網格.為使兩者更具可比性，應保證在車身表面和地面生成相同的邊界層網格.首層網格尺寸為0.1 mm，增長率為1.2，共計6層；與此同時在流動紊亂的后視鏡、車底和車尾區域，設置相同的網格加密區域，且網格大小相同.

在FLUENT中，整個計算域劃分為三棱柱和四面體的體網格形式，共計8 600萬個的體網格.在STAR-CCM+中，使用Trim+layer策略生成計算域的體網格.Trim網格是目前汽車企業使用最為廣泛的體網格，其能使除邊界層網格區域外的大計算域生成為六面體網格，從而有效降低網格數.正因如此，整個計算域生成4 700萬個體網格，數量較FLUENT少，計算時間更短.

計算域進口給定與試驗相同的風速140 km/h，即38.89 m/s.冷凝器和散熱器的壓降特性來自供應商提供的試驗數據.車身其他部件均采用無滑移壁面條件.在FLUENT中，利用可實現兩方程k-ε湍流模型[9]獲得流場的準定常解，然后使用大渦模擬計算非定常流場，其中亞格子模型選用Smagorinsky-Lilly模型[10].采用不可壓縮的計算方法，其中壓力與速度耦合采用SIMPLE.在非定常流動計算中，時間步長和每時間步長迭代次數按照表1設定.流動進入1.55 s后開始采集數據，共計2 500個時間步的計算結果用于數據分析.整個計算工況使用120核的刀片服務器花費8 d的時間可完成.

在STAR-CCM+計算中，由于LES無法加載多孔介質模型，所以只能選擇計算精度稍差的渦分離模型.本文采用的渦分離模型在近壁區域采用k-w的SST湍流模型，其他區域采用大渦模型.除此之外，其他設置與FLUENT完全相同.整個計算工況使用120核的刀片服務器花費10 d時間可完成.