基于卡車天窗的風振仿真與試驗研究

馬志強 陸增俊

摘 要：隨著汽車工業的發展及汽車用戶的年輕化，人們對汽車的感官質量及駕乘舒適性要求越來越挑剔。汽車高速行駛過程中風振噪聲大小是衡量卡產品品質最重要的指標之一，也是用戶購買汽車的重要參考因素，因此控制汽車風振噪聲具有非常現實的意義;本文著重就某重型卡車天窗在行車過程中的風振噪聲情況及產生機理進行一系列探討和分析。

關鍵詞：天窗;卡車;風振;仿真;原因

1 引言

為了深入了解某重型卡車的電動天窗對整車風阻及風振性能的影響以及產生的機理，通過對該卡車開展整車風振測試及風振、風阻仿真分析工作，從實車測試和仿真分析數據中量化出卡車天窗在不同工況情況下對整車風振噪聲的貢獻度和產生的影響，并根據產生的機理和規避氣動噪聲的方法，為相關系統的開發設計提供理論參考依據。

2 仿真分析模型建立

如下圖是采用仿真分析軟件按如下步驟建立仿真模型;風振對細節保留要求很高，邊界層最少需劃分六層，保留越多設計細節邊界層網格在縫隙處易重疊、扭曲變形，網格質量下降，由于風振仿真模型對網格要求極高，為加快分析進程需盡可能簡化，否則瞬態計算無法進行，見圖1。

3 仿真輸入邊界設置

仿真邊界條件設置過程中需結合實車行車風振較明顯車速值和共振頻率來設定，實測表明風振在50-70km/h車速很明顯，因此仿真車速按50km/h、60km/h、70km/h;實測共振頻率約12Hz即渦旋脫落周期T約0.083s，為精確捕捉漩渦脫落，步長最少1/8T，即0.001S;為保險起見本次步長設置1/16T，即0.0005S，見表1。

4 仿真方案

根據仿真計算要求，計算天窗起翹到最高點以及滑到最后點兩種方案，并同時對比有無導流罩狀態和增加拆掉天窗的方案，以便進行綜合對比，見圖2。

5 仿真分析結果

5.1 風振計算結果匯總：頻率（見圖3）

小結：駕駛室內各點風振頻率及聲壓級完全重合

5.2 風振仿真分析對比及結論（見圖4）：

結論：

①天窗拆除，均有風振現象，無導流罩風振更大;

②天窗起翹：均無風振現象;

③天窗外滑：有導流罩仿真與實測相符均無風振現象，無導流罩仿真有風振與實測不符;

④總的來說仿真與實測趨勢基本一致、仿真聲壓級基本都大于實測，共振頻率都大于實測。

6 卡車天窗風振產生的原因分析

6.1 拆除天窗方案風振產生原因：

6.1.1 氣流在駕駛室前額分離導致剪切邊界層不穩定產生尾渦，尾渦向后運動逐漸變大，當尾渦掃中天窗下游邊界時便會破碎產生壓力波動，如渦的脫落頻率與駕駛室聲腔模態吻合則會產生強烈震撼即風振。

6.1.2 有導流罩，氣流并不緊貼駕駛室頂部流動，只有渦的底部掃中天窗下游邊界，壓力波動相對較小從而產生的風振也相對較小，見圖5。

6.2 天窗起翹到最高點方案風振產生原因：

6.2.1 由于天窗翹起是前端壓緊后端翹起，駕駛室前額脫落的渦無下游邊界直接撞擊破碎，因此無論是否有導流罩均不會有強烈的風振現象，見圖6。

6.3 拆除外劃到最后點風振產生原因：

6.3.1 有導流罩時，氣流流動偏離駕駛室頂部，駕駛室前額分離渦沒有直接撞擊天窗，無明顯風振現象

6.3.2 無導流罩時，氣流緊貼駕駛室頂部流動，駕駛室前額分離渦掃中天窗前端導致產生風振現象;

7 卡車天窗風振仿真分析總結

7.1 天窗有風振，主要是氣流在駕駛室前額分離產生的尾渦掃中天窗下游邊界所致;

7.2 拆除導流罩氣流較貼近駕駛室頂蓋，尾渦直接撞擊天窗下游邊界，因此風振變大;

7.3 天窗翹起，天窗前端與駕駛室上有邊界緊貼，前額脫落的渦無法直接撞破，因此無風振現象;

8 卡車天窗風振解決思路

8.1 將氣流導離流駕駛室頂部（但理論風阻變大），不讓尾渦掃中天窗下游邊界層;解決卡車天窗風振的思路有重新優化駕駛室前額型面、調整遮陽罩安裝角度及優化導流罩導風趨勢等，見圖8。

8.2 在駕駛室前額建立穩流器擾動氣流，不讓其建立起明顯的剪切層（或提前將渦刺破）也是防止天窗風振可行辦法。

9 結語

本文通過對某重型卡車的天窗風振的仿真分析與試驗研究，得出整車在不同車速情況下天窗風振產生的機理，并根據產生的機理提取影響天窗共振的主要因素，從整車空氣動力學角度出發，提出防減小卡車天窗風振的建議，為整車開發提供理論的參考依據。

參考文獻：

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[2]馬天飛，林逸，張建偉.轎車車室內噪聲的仿真分析.CAD/CAM 與制造業信息化.

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