車門裝配面差對氣動噪聲影響的數(shù)值分析

黃付延，劉祚時，陶宗虎，賴 穎

（1.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000）

1 引言

氣動噪聲是車輛在一定行駛速度（高速）狀態(tài)下，所產(chǎn)生的氣體鳴叫聲。作為提升現(xiàn)代汽車設(shè)計與制造需要考慮的重要問題，氣動噪聲對汽車舒適性的影響很大。在高速時，氣動噪聲是主要的噪聲源。在出現(xiàn)制造偏差時，非平順的外形特征，將產(chǎn)生一定的氣動噪聲。汽車車門的裝配就屬于這類特征。一般汽車車門是通過裝配方式安裝到車身上，由于車門與車身存在制造偏差，車門與周邊的零件難免存在高低偏差（面差），此時會形成渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生氣動噪聲。因此研究車門裝配面差與氣動噪聲的關(guān)系，指導(dǎo)設(shè)計相應(yīng)的設(shè)計公差，是現(xiàn)代整車噪聲設(shè)計的研究內(nèi)容。目前國內(nèi)外很多學(xué)者利用CFD數(shù)值模擬來對汽車后視鏡、車窗等部位氣動噪聲進行研究，并最終為尺寸設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)[1-3]。在對車身外部流場的模擬上，目前使用最多的是大渦模擬（LES）方法[4-5]。該方法在湍流模擬較其他方法更準(zhǔn)確和高效[6-8]。利用LES方法來對車身外部流場進行數(shù)值模擬，并同時通過FW-H聲學(xué)模型對周圍氣動噪聲進行監(jiān)測，研究車門不同裝配面差對氣動噪聲的影響關(guān)系，為面向氣動噪聲控制的車門裝配面差設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模擬的研究方法

2.1 大渦模擬理論

大渦模擬（LES）通過瞬時N-S對流場中湍流的大尺度渦來進行計算，以近似模型來模擬小渦對大渦的作用。將用大渦模擬的方法對車身外部的流場進行瞬態(tài)數(shù)值計算，仿真得到聲源面上壓強、流速和密度等隨時間的變化。在低馬赫數(shù)下，根據(jù)設(shè)置的流體的速度、粘性系數(shù)等，按照大渦模擬的基本思想，將N-S方程進行過濾后得到不可壓縮流的大渦模擬控制方程：

式中：ρ—流體的密度；v—運動粘性系數(shù)；τij—亞格子尺度應(yīng)力。

目前基于渦旋粘性模型的亞格子尺度模型是使用最多的亞格子尺度模型：

式中：δij—克羅內(nèi)科函數(shù)；vr—亞格子湍流粘性系數(shù)；τkk—各向同

性亞格子尺度應(yīng)力；Sˉij—應(yīng)變率張量。

2.2 FW-H方程

用FW-H聲學(xué)模型來監(jiān)測車門與車身配合處附近的氣動噪聲。車身外流場中噪聲監(jiān)測聲學(xué)模型FW-H方程[10]：

式中：H（f）—Heaviside 函數(shù)；ρ′—流體密度變化量；c0—遠場聲速；vn—表面法向速度；δ（f）—Dirac delta 函數(shù)；Pij—應(yīng)力張量；Tij—Lighthill應(yīng)力張量。

上式中等式右邊的三項依次為Lighthill聲源形成四極子聲源，表面的脈動壓力形成的偶極子聲源，以及表面加速度形成的單極子聲源。在汽車外部聲場進行數(shù)值模擬時，汽車車身視作剛性部件，其體積脈動量可忽略，所以單級子噪聲不必考慮。同時，對于汽車正常行駛速度下，流場速度遠小于聲速，四極子聲源發(fā)射效率很低，相比于偶極子聲源，其所產(chǎn)生的噪聲可以省略不計。

3 外流場的計算

3.1 建立幾何模型與外流場計算域

以某七座汽車1∶1繪制的右半部車身的外表面，去除視鏡、門把手等特征。車門裝配面差設(shè)計要求為（0～3）mm，選擇了0mm、1mm、2mm、3mm四個不同面差來分析模型，如圖1所示。用于氣動噪聲的計算域的大小應(yīng)能保證氣體流動在計算域中充分的運動。設(shè)車身的長度為L，車身的高度為H，半邊車聲的寬度為W，采用的計算域長度為7L，高度為5H，寬度為10W，以滿足分析要求。計算域示意圖，如圖2所示。

圖1 車身幾何模型Fig．1 Geometry Model of Vehicle

圖2 計算域示意圖Fig．2 Computation Domain

3.2 網(wǎng)格方案

計算域分為三個部分：遠離車體區(qū)域、靠近車體區(qū)域及邊界層區(qū)域。遠離車體區(qū)域采用六面體網(wǎng)格劃分，且越靠近車身網(wǎng)格尺寸越小，這一區(qū)域最小網(wǎng)格尺寸約為50mm。靠近車體區(qū)域采用金字塔網(wǎng)格進行劃分，最小網(wǎng)格尺寸約為25mm。由于流體粘性的影響，會在車身表面形成幾個毫米到幾十個毫米的附著層，為了準(zhǔn)確的模擬其產(chǎn)生的影響，在緊貼車體表面設(shè)置了邊界層區(qū)域。

對于車身表面，這里使用二維網(wǎng)格劃分，在車門間隙處面差部位最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm，這一尺寸與偏差值接近，可以準(zhǔn)確的反映出偏差部位的情況。

3.3 邊界條件

對計算域的網(wǎng)格進行具體的邊界條件設(shè)置，速度入口25m/s，湍流強度5%，車身均設(shè)置為靜止壁面。

穩(wěn)態(tài)求解器的設(shè)置，如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)求解器設(shè)置Tab.1 Steady Solver Setting

在穩(wěn)態(tài)計算完成之后，以該結(jié)果作為進行瞬態(tài)計算的初始條件，求解器的設(shè)置，如表2所示。

表2 瞬態(tài)求解器設(shè)置Tab.2 Unsteady Solver Setting

3.4 計算方法

穩(wěn)態(tài)計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[10]來對外部流場進行仿真計算，并將得到的結(jié)果作為瞬態(tài)數(shù)值模擬的初始條件來進一步計算。

瞬態(tài)計算的時間步長與流場中可能的最高速度、單元格最小邊長都有關(guān)系：

式中：L—單元格的最小邊長；U—流場中可能的最高速度；Cr—庫朗數(shù)（Courant Number）。

在實際計算中將Cr控制在100以下也可以保證計算結(jié)果的穩(wěn)定。根據(jù)式（6），得出瞬態(tài)計算的時間步長為4×10-5s。同時在實際計算中，先采用較大的時間步長進行計算，待監(jiān)測點的壓力變化穩(wěn)定后，再減小到4×10-5s進行采樣。

流場中的高頻噪聲主要由小尺度渦引起的，而在大渦模擬中，小尺度渦是利用SGS模型來進行近似計算，導(dǎo)致了在高頻部分的模擬精確度低。因此截取5KHz以下的頻率來進行分析較好。

3.5 車身流場分析

車聲氣動噪聲脈動壓力分布圖，如圖3所示。可知車身前部、A柱、視鏡、車身尾部、車門密封等位置呈現(xiàn)出氣流相對較大分布。可看出車門裝配面差對車門面表面流場有一定的影響，為后面研究車門裝配面差對氣動噪聲的影響提供基礎(chǔ)。

圖3 車身氣動噪聲脈動壓力Fig.3 Fluctuating Pressure of The Aerodynamic Noise on Vehicle Body

4 氣動噪聲的分析

4.1 面差對聲功率級的影響

在流場穩(wěn)態(tài)計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Praoudman方程模型求解出車身表面聲功率級（Acoustic Power Level）。通過設(shè)置流體速度，模擬汽車速度60km/h、90km/h和120km/h。取車門把手處作為檢測點，得到聲功率級隨速度的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖中可以看出：聲功率級隨速度的增加而隨之增大，與偶極子聲源特性相同。同時對不同面差的曲線對比，分析得出車門面差變化時，測點聲功率級的變化不明顯。

圖4 聲功率級與速度的關(guān)系Fig.4 Relationship between Sound Power Level and Wind Speed

4.2 瞬態(tài)模擬

穩(wěn)態(tài)計算求解出的是一個與時間變化無關(guān)的狀態(tài)，還需利用瞬態(tài)模擬才能得到氣動噪聲隨時間的變化的頻率分布情況。取正對車門間隙，并且離開車身約40mm處的一點為檢測點對聲壓值采樣。然后以快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）對數(shù)據(jù)處理得聲壓級的頻率頻譜。

不同面差狀態(tài)下監(jiān)測點的聲壓級頻譜圖，如圖5所示。可以看到與無面差的狀態(tài)相比，面差值為1mm時氣動噪聲的頻率分布大致相同。面差值為2mm的狀態(tài)比面差為1mm時又稍有增大。當(dāng)面差值增大到3mm時，監(jiān)測點處的氣動噪比2mm時增大較為明顯。說明氣動噪聲隨車門裝配面差的增大而增大。

圖5 監(jiān)測點聲壓級頻譜Fig.5 Frequency Spectrum of Sound Pressure

將不同頻率分布的聲壓級轉(zhuǎn)換為總聲級（Sum Level），得到氣動噪聲總聲級隨面差變化曲線。從圖6中可以看到，面差為0mm時，氣動噪聲總聲級為56.0dB。面差為1mm時，總聲級增大為58.0dB；面差為2mm時，總聲級為60.0dB；面差增大到3mm時，總聲級迅速增大到69dB。由此可以得出：若要對氣動噪聲進行控制，前門與車身之間的面差應(yīng)該限制在2mm以下。

圖6 監(jiān)測點總聲級與面差的關(guān)系Fig.6 Relationship between Flushness and Sum Level

4.3 車門面差對氣動噪聲影響試驗驗證

實驗采用高速道測試進行，測試車輛為某七座汽車，通過調(diào)整車門鎖扣以模擬車門裝配面差，如表4所示。

表4 車門裝配面差值Tab.4 Difference of Door Assembly Surface

實驗場地選擇在路面平坦且為瀝青道路，天氣晴朗，無風(fēng)，附近車輛較少。傳聲器測點布置于前車門40mm位置。測試過程首先將汽車提速至120km/h后使車空檔滑行，測量出測點的風(fēng)噪聲的值。數(shù)據(jù)采集及處理采用德國米勒貝姆聲學(xué)系統(tǒng)公司的BBM數(shù)據(jù)采集端及配套分析軟件。采集數(shù)據(jù)并處理后得到結(jié)果，如圖7所示。

圖7 聲壓級頻率頻譜圖Fig.7 Frequency Spectrum of Sound Pressure Level

由聲壓級頻譜圖換算出不同車門裝配面差下的總聲壓級，并與數(shù)值仿真的結(jié)果對比，如圖8所示。由圖可知，數(shù)值模擬與實驗所得的總聲壓級隨面差變化的趨勢基本吻合。面差在2mm以內(nèi)總聲壓級隨面差增加很小，2mm以上增加明顯，總聲壓級迅速變大。所以車門裝配面差對氣動噪聲數(shù)值分析可有效指導(dǎo)車門面差對氣動噪聲影響的控制，車門面差在2mm以內(nèi)時，能控制氣動噪聲在較小值。

圖8 面差-總聲壓級關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between Flushness and Sum Level

5 結(jié)論

通過穩(wěn)態(tài)模擬得知，聲功率級隨速度的增大而增大，與偶極子聲源性質(zhì)相同；且知車門面差變化對聲功率級的影響程度極小。

瞬態(tài)模擬結(jié)果顯示，正對車門間隙，離開車身約40mm處檢測點的氣動噪聲聲壓級隨著面差的增大而增大。面差變?yōu)?mm時，氣動噪聲總聲壓級由2mm的60.0dB迅速增大到69dB，變化較大。最進行實驗驗證，測得噪聲總聲壓級與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差很小，面差對氣動噪聲變化關(guān)系趨勢相吻合，由此指出將車門面差限制在2mm以內(nèi)能控制氣動噪聲進行控制在較小值。