汪怡平，谷正氣，楊 雪

（1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410082；2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070；

3.武漢軍械士官學(xué)校光電實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430075）

0 引 言

隨著車速的不斷提高，以及機(jī)械噪聲、輪胎－路面噪聲的降低，風(fēng)噪聲對(duì)整車噪聲的影響愈來(lái)愈突出，成為影響消費(fèi)者選購(gòu)汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而風(fēng)振則是風(fēng)噪聲的重要組成部分。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，自由剪切層結(jié)構(gòu)如射流、混合層、尾跡渦流經(jīng)開口處（如天窗、側(cè)窗）的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的湍流渦結(jié)構(gòu)，而這些渦結(jié)構(gòu)則會(huì)產(chǎn)生頻率很低而強(qiáng)度很高的壓力脈動(dòng)，即風(fēng)振。

汽車風(fēng)振主要來(lái)源于天窗和側(cè)窗，自20世紀(jì)90年代起，人們就開始關(guān)注天窗的風(fēng)振，并取得了一系列的研究成果［1－4］。隨著研究的深入，人們開始對(duì)側(cè)窗的風(fēng)振進(jìn)行大量的研究。2002年Sovani和Hendriana［5］首次開展了乘用車側(cè)窗風(fēng)振特性的計(jì)算分析，獲得了與風(fēng)洞試驗(yàn)非常吻合的結(jié)果。2004年An等人［6］對(duì)SUV的側(cè)窗風(fēng)振進(jìn)行了仿真分析，分析了車速、偏角、傳感器的位置、車內(nèi)體積以及開啟不同側(cè)窗對(duì)風(fēng)振特性的影響。2005年An等人［7］對(duì)SUV的后側(cè)窗的風(fēng)振特性進(jìn)行了仿真分析，并采取了若干措施來(lái)降低后窗的風(fēng)振。

高檔豪華轎車在車市中占有舉足輕重的地位，是反映一個(gè)國(guó)家汽車發(fā)展水平的重要標(biāo)志。豪華轎車在追求卓越的動(dòng)力性和安全性以外，更注重乘坐的舒適性。所以，對(duì)于豪華轎車來(lái)說(shuō)，風(fēng)振也是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。本文利用CFD技術(shù)分析了某豪華轎車的側(cè)窗風(fēng)振壓力脈動(dòng)的頻率與強(qiáng)度，考查了頻率及其強(qiáng)度與車速、車內(nèi)體積、側(cè)窗開啟位置、側(cè)窗開啟數(shù)目的關(guān)系。最后根據(jù)風(fēng)振產(chǎn)生的機(jī)理，嘗試了兩種控制措施，取得了較好的結(jié)果。

1 參考車型的道路試驗(yàn)

本文所開展的工作處于沒(méi)有樣車的開發(fā)前期。但是該車的參照車型是已經(jīng)面世的某豪華轎車，因此在進(jìn)行計(jì)算仿真之前，對(duì)參考車的后窗風(fēng)振進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境：一段高等級(jí)柏油路，天氣晴，氣溫35℃，南風(fēng)4m／s，環(huán)境噪聲小于40dB。采用比利時(shí)LMS公司Test.Lab噪聲測(cè)試設(shè)備，集成Test.Lab 7A試驗(yàn)分析軟件系統(tǒng)與16通道SCADAS便攜式數(shù)據(jù)采集前端。使用丹麥GRAS公司的預(yù)極化傳聲器和前置放大器。測(cè)試車速為85km／h。如圖1所示為駕駛員腦后的聲壓頻譜圖。由圖可知風(fēng)振發(fā)生在17Hz附近，而且由風(fēng)振引起的噪聲值比發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲高出近30dB。

圖1 駕駛員腦后的聲壓頻譜圖Fig.1 Interior sound pressure spectral density recorded in the rear of driver＇s head

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 基本方程和湍流模型

風(fēng)振是由于渦的周期性脫落產(chǎn)生的。因此必須對(duì)流場(chǎng)的瞬態(tài)特性進(jìn)行分析。本文選用LES方法對(duì)汽車瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

湍流計(jì)算的基本控制方程為過(guò)濾后的三維非定?？蓧嚎s粘性Navier－Stokes方程，其控制方程如下：連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)方程

式（1）、式（2）中，ρ為流體密度和為過(guò)濾后的速度分量；為過(guò)濾后的壓強(qiáng)；μ為湍流粘性系數(shù)；τij為亞格子尺度應(yīng)力（sub grid－scale stress，簡(jiǎn)稱SGS應(yīng)力），它體現(xiàn)了小尺度渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)所求解的方程的影響。

為使控制方程封閉，采用渦旋粘性亞格子模型：

式中：δij為克羅內(nèi)克系數(shù)；μt為亞格子湍流粘性系數(shù)；τkk為各向同性的亞格子尺度應(yīng)力；Sij是求解尺度下的應(yīng)變率張量分量，定義為：

2.2 物理模型的建立

在不影響計(jì)算精度的情況下，對(duì)車身進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，省略了車燈、門把手、天線等，如圖2所示。由于考慮的是側(cè)窗開啟的情況，所以需要建立內(nèi)飾模型，圖3給出了乘坐兩個(gè)人時(shí)的內(nèi)飾模型。

2.3 計(jì)算域的確定

計(jì)算域分為內(nèi)部域和外部域，內(nèi)部域?yàn)槌藛T室空間，外部計(jì)算域的大小由計(jì)算模型所決定。一般用于車輛外流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體。為使模擬環(huán)境更接近汽車行駛的真實(shí)環(huán)境，計(jì)算域的寬度為計(jì)算模型的7倍寬，高度為5倍高，長(zhǎng)度為11倍長(zhǎng)（前面3個(gè)車長(zhǎng)，后面7個(gè)車長(zhǎng)），如圖4所示。壓力脈動(dòng)接收點(diǎn)位于駕駛員耳旁，坐標(biāo)分別為（1.625，－0.483，0.753）、（1.625，－0.306，0.753），單位：m。

圖2 車身外形圖Fig.2 Car body shape

圖3 內(nèi)飾模型Fig.3 Interior model

圖4 計(jì)算域示意圖Fig.4 Schematic of computational domain

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度以及所耗用的CPU時(shí)間。由于汽車外形復(fù)雜，考慮到四面體網(wǎng)格良好的貼體性，計(jì)算選用四面體網(wǎng)格。整個(gè)域內(nèi)網(wǎng)格分為三層，靠近車體的網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離車體的較稀，并對(duì)參數(shù)變化梯度大的敏感區(qū)進(jìn)行局部加密（如圖5所示）。

圖5 縱對(duì)稱面上的網(wǎng)格分布Fig.5 The mesh distribution along longitudinal symmetry plane

由于流體粘性的影響，物體表面會(huì)形成一層附面層，對(duì)汽車表面而言，附面層的厚度在幾mm至幾十mm之間。本文在車身外表面生成三棱柱網(wǎng)格來(lái)計(jì)算附面層的影響。最終生成的網(wǎng)格數(shù)量在320萬(wàn)左右。并且在整個(gè)計(jì)算完成以后所得到的y＋值大部分在1～2之間，基本上符合大渦模擬的要求。

2.5 邊界條件的設(shè)置

數(shù)值仿真是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，因此在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件，邊界條件要求在數(shù)學(xué)上滿足適定性，在物理上具有明確的意義，本文的邊界條件如下。

計(jì)算域入口速度：u＝30m／s，v＝w＝0。

計(jì)算域上壁面和側(cè)壁面為自由滑移壁面。

車身及內(nèi)飾為無(wú)滑移壁面。

實(shí)際行駛車時(shí)，地面是不存在附面層的。為消除計(jì)算中產(chǎn)生的地面附面層，地面采用移動(dòng)壁面邊界條件［8］，且移動(dòng)速度與來(lái)流速度相同。

2.6 計(jì)算

進(jìn)行瞬態(tài)求解之前，首先利用Realizablek－ε進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，迭代大約500次，然后把穩(wěn)態(tài)結(jié)果作為瞬態(tài)求解的初始值，由道路試驗(yàn)可知風(fēng)振的共振頻率約為20Hz，即渦的脫落周期為0.05s。本文進(jìn)行瞬態(tài)求解的時(shí)間步長(zhǎng)為0.002s，即一個(gè)周期內(nèi)有25個(gè)采樣點(diǎn)，這足夠捕捉風(fēng)振的第一階諧振頻率。計(jì)算總時(shí)間為2s，由于流場(chǎng)有一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，在1s時(shí)才開始采樣。每時(shí)間步20次迭代。計(jì)算采用商用軟件Fluent完成，采用二階離散格式和有界中心差分格式分別對(duì)時(shí)間和空間進(jìn)行離散。整個(gè)計(jì)算在IBM xSeries 3650（至強(qiáng)雙CPU四核3.0Hz處理器，16GB內(nèi)存）上進(jìn)行，一個(gè)工況計(jì)算時(shí)間約40h。

2.7 后處理

整個(gè)后處理過(guò)程如圖6所示。計(jì)算過(guò)程中記錄下駕駛員耳旁的壓力脈動(dòng)。從圖中可以看出，在約0.6s以前，流場(chǎng)還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定，記錄的數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，且沒(méi)有規(guī)律。0.6s以后壓力呈周期性變化且比較穩(wěn)定，截取1s～2s的數(shù)據(jù)做FFT變換，得到壓力頻譜圖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同側(cè)窗開啟

本文首先研究了來(lái)流速度為30m／s，車內(nèi)僅有駕駛員，不同側(cè)窗開啟時(shí)駕駛耳旁的風(fēng)振，限于篇幅，文章僅對(duì)左側(cè)前后窗開啟時(shí)的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了詳盡分析。

圖6 后處理過(guò)程Fig.6 Post－processing process

3.1.1 左前窗開啟

圖7所示為車內(nèi)z＝0.74m截面上的流線圖，由于車內(nèi)全為負(fù)壓區(qū)，而且車內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，氣流流入車內(nèi)產(chǎn)生非常復(fù)雜的渦流，由于駕駛員右耳處的渦流，必然導(dǎo)致右耳處的壓力脈動(dòng)偏大。在圖8所示的脈動(dòng)壓力頻譜圖中可以看出右耳處的風(fēng)振頻率點(diǎn)的壓力脈動(dòng)值比左耳大約2dB，而且在30～100Hz的頻率段上脈動(dòng)壓力級(jí)都比左耳大。

圖7 左前窗開啟時(shí)截面流線圖Fig.7 Streamline along the cross section with front window open

圖8 左前窗開啟時(shí)駕駛員耳旁的脈動(dòng)壓力級(jí)Fig.8 Fluctuation pressure level beside driver′s ear with front window open

為了更加詳細(xì)地了解側(cè)窗區(qū)域剪切層發(fā)生的情況及其剪切層與后視鏡尾渦的相互作用。選取了側(cè)窗附近的幾個(gè)截面圖進(jìn)行分析。如圖9所示，在圖中，截取左前窗打開的區(qū)域并采用“填充”格式顯示壓力云圖。同時(shí)，建立了另一個(gè)穿過(guò)后視鏡平行截面，且采用“透明”格式顯示壓力云圖?！疤畛洹备袷綁毫υ茍D主要是顯示A柱（如圖2所示）后剪切層的發(fā)展情況，而“透明”格式壓力云圖主要顯示的是后視鏡的尾渦。截面上交替出現(xiàn)的高低壓正好說(shuō)明了A柱上剪切層渦的脫落。剪切層撞擊到B柱（如圖2所示）上，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)并傳入到車內(nèi)。

圖9 左前窗開啟時(shí)豎直橫截面上的壓力云圖Fig.9 Pressure contours on vertical cut planes around open front window

在圖10中“填充”格式壓力云圖顯示了通過(guò)后視鏡與駕駛員耳朵的水平橫截面的壓力云圖，云圖可以清晰地看出后視鏡的尾渦?！巴该鳌备袷降膲毫υ茍D顯示的則是只通過(guò)A柱的橫截面的壓力云圖，從圖中可以看出A柱后渦流的產(chǎn)生以及發(fā)展。同時(shí)，高低壓的交替出現(xiàn)恰好說(shuō)明A柱后的剪切流以及后視鏡后的尾渦，而且在開口的右下角處，A柱后渦流與后視鏡的尾渦相遇并相互作用。通過(guò)對(duì)云圖的分析可以推測(cè)A柱渦的脫落以及后視鏡產(chǎn)生的尾渦在前側(cè)窗開啟時(shí)的風(fēng)振中扮演著重要的角色。

圖10 左前窗開啟時(shí)水平橫截面上的壓力云圖Fig.10 Pressure contours on horizontal cut planes around open front window

由于人們常常只打開一部分窗戶，因此對(duì)前窗不同的開啟位置進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明前窗開啟50%時(shí)，風(fēng)振最低（圖11）。

圖11 左前窗不同開啟位置時(shí)的脈動(dòng)壓力級(jí)Fig.11 Effect of open position on peak fluctuation pressure level

3.1.2 左后窗開啟

研究表明［7］后窗也是風(fēng)振的主要來(lái)源，本文對(duì)后窗開啟時(shí)汽車的外部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。獲得了駕駛員耳旁的脈動(dòng)壓力頻譜圖（圖12），其風(fēng)振頻率與參考車型的道路試驗(yàn)相比僅相差1Hz，幅值相差約3dB。文章還對(duì)后窗玻璃開啟的不同位置進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明后窗開啟50%（圖13所示），風(fēng)振最強(qiáng)烈，這與開前窗剛好相反。通過(guò)對(duì)比前后窗開啟時(shí)的脈動(dòng)壓力幅值可以發(fā)現(xiàn)后窗的風(fēng)振要比前窗強(qiáng)烈許多，所以駕駛汽車時(shí)，建議盡可能少開后窗。

圖12 左后窗全開時(shí)駕駛員耳旁脈動(dòng)壓力級(jí)Fig.12 Fluctuation pressure level beside driver＇s ear with rear window open

圖13 左后窗不同開啟位置時(shí)脈動(dòng)壓力級(jí)Fig.13 Effect of open position on peak fluctuation pressure level

為了更詳盡地了解后窗開啟時(shí)的風(fēng)振特性，采用與圖9、圖10同樣的方式對(duì)后窗附近的靜壓進(jìn)行分析，如圖14、圖15所示。從圖中可以看出后窗附近的流動(dòng)特性與前窗開啟時(shí)非常相似。圖中顯示的B柱后交替出現(xiàn)的高低壓揭示了剪切層的運(yùn)動(dòng)以及渦的脫落，剪切層撞擊到B柱上，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)并傳入到車內(nèi)。如圖所示，后視鏡產(chǎn)生的尾渦向下游進(jìn)一步發(fā)展并達(dá)到后窗。因此可以推測(cè)這些達(dá)到后窗的渦對(duì)后窗的風(fēng)振起著重要的作用。

圖14 左后窗開啟時(shí)豎直橫截面上的壓力云圖Fig.14 Pressure contours on vertical cut planes around open rear window

圖15 左后窗開啟時(shí)水平橫截面上的壓力云圖Fig.15 Pressure contours on horizontal cut planes around open rear window

3.2 側(cè)窗開啟數(shù)目對(duì)車內(nèi)風(fēng)振的影響

前文分析表明后窗開啟時(shí)的風(fēng)振比較強(qiáng)烈，相關(guān)研究表明在后窗開啟的同時(shí)打開前窗，前窗對(duì)風(fēng)振具有“導(dǎo)出”效應(yīng)。如圖16所示，當(dāng)左側(cè)兩個(gè)窗戶同時(shí)開啟時(shí)，駕駛員耳旁的風(fēng)振會(huì)明顯減弱。建議駕駛員在駕駛汽車時(shí)，可以同時(shí)打開兩個(gè)或兩個(gè)以上的窗戶。比如后窗全開時(shí)，前窗可以開50%，甚至全開等。

圖16 風(fēng)振“導(dǎo)出效應(yīng)”Fig.16 Effect of additional window opening

3.3 乘員室空間對(duì)風(fēng)振的影響

分析乘員室空間對(duì)風(fēng)振的影響是通過(guò)考慮不同的乘員個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖17所示為不同乘員個(gè)數(shù)（1～4）與風(fēng)振頻率以及該頻率下的峰值的關(guān)系圖。分析結(jié)果表明在車內(nèi)乘坐二人或三人時(shí)風(fēng)振會(huì)比較小，為98dB。當(dāng)乘坐四人時(shí)，風(fēng)振增大到最大，為102dB。從圖可以看出風(fēng)振頻率也會(huì)隨著乘員數(shù)的不同而不同，當(dāng)車內(nèi)乘坐兩人或三人時(shí)，產(chǎn)生風(fēng)振的頻率為13Hz，而當(dāng)乘坐一人或四人時(shí)的頻率為18Hz。

圖17 不同乘員個(gè)數(shù)（1～4）對(duì)風(fēng)振的影響Fig.17 Effect of volume of the passenger compartment

3.4 車速對(duì)車內(nèi)風(fēng)振的影響

為了考查車速對(duì)風(fēng)振的影響，對(duì)10m／s～50m／s，每隔10m／s的速度下的風(fēng)振特性進(jìn)行了分析。圖18、圖19為發(fā)生風(fēng)振時(shí)的頻率值以及該頻率下的脈動(dòng)壓力級(jí)隨車速的變化曲線圖。由圖可知，隨著車速的增加風(fēng)振頻率點(diǎn)的脈動(dòng)壓力級(jí)幾乎成線性增加，而隨著車速的增加，風(fēng)振頻率卻沒(méi)有多大的變化，基本上保持在±1Hz，這與 Hendriana［9］等人計(jì)算得到的結(jié)果是一致的，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速每增加10英里，風(fēng)振脈動(dòng)壓力級(jí)就要增加5dB，而頻率的變化范圍在±1Hz內(nèi)。同樣地，An［6］等人的計(jì)算結(jié)果也得到了類似的結(jié)論。

圖18 不同車速下的風(fēng)振頻率Fig.18 Effect of cruising velocity on buffeting frequency

圖19 不同車速下的脈動(dòng)壓力級(jí)Fig.19 Effect of cruising velocity on buffeting peak

4 風(fēng)振的抑制

通過(guò)前文的分析發(fā)現(xiàn)后窗的風(fēng)振較之前窗劇烈許多，所以控制后窗風(fēng)振就很有必要了。本文嘗試了兩種方法來(lái)控制后窗的風(fēng)振，計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法都能有效控制后窗的風(fēng)振。

4.1 B柱后開凹槽

如圖20所示，在B柱后開有一個(gè)小凹槽。凹槽的作用是控制渦以及B柱剪切層的渦脫落，并且防止渦侵入乘員室。分析結(jié)果表明，通過(guò)在B柱后開一段凹槽能使風(fēng)振從115dB降低至109dB。當(dāng)然，可以通過(guò)優(yōu)化凹槽的幾何形狀以及尺寸，達(dá)到更好地控制風(fēng)振的目的，限于篇幅，文章不做更深入的研究。

圖20 B柱安裝凹槽對(duì)后窗風(fēng)振的控制Fig.20 B pillar cavity to control wind buffeting of rear window

4.2 后窗上加立柱

從前文分析可知，同時(shí)打開兩個(gè)窗戶可以有效地控制后窗的風(fēng)振，基于此，通過(guò)在后窗上加裝一立柱把后窗分成兩部分如圖21所示，分析結(jié)果表明，后窗加裝立柱后，風(fēng)振峰值從115dB下降到106dB。有理由相信，通過(guò)優(yōu)化立柱的位置以及形狀一定能更好地控制甚至消除后窗的風(fēng)振。限于篇幅，對(duì)此不再做更深入的研究。

5 結(jié) 論

參考車型的道路試驗(yàn)表明豪華轎車存在側(cè)窗風(fēng)振噪聲偏高的問(wèn)題。采用CFD技術(shù)對(duì)側(cè)窗的風(fēng)振進(jìn)行了仿真分析，揭示了側(cè)窗風(fēng)振產(chǎn)生的機(jī)理以及聲學(xué)特性。分析結(jié)果表明：

圖21 后窗安裝立柱對(duì)風(fēng)振的控制Fig.21 Dividing post at rear windows

（1）后窗風(fēng)振的CFD計(jì)算獲得的脈動(dòng)壓力級(jí)以及頻率與參考車型的道路測(cè)試結(jié)果吻合的比較好，從而提高了仿真結(jié)果的可信度。

（2）后視鏡引起的分離流對(duì)側(cè)窗風(fēng)振有著重要影響。

（3）風(fēng)振的脈動(dòng)壓力級(jí)與側(cè)窗開啟的位置，車內(nèi)空腔體積以及車速有著密切的聯(lián)系，風(fēng)振頻率也與側(cè)窗開啟的位置，車內(nèi)空腔體積相關(guān)，但與車速關(guān)系不大。

（4）后窗風(fēng)振明顯比前窗劇烈，基于此，嘗試了兩種降低后窗風(fēng)振的辦法，計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)振的脈動(dòng)壓力級(jí)最大降低了9dB。

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