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(shù)值仿真.研究發(fā)現(xiàn)：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(yōu)于STAR-CCM+，具體體現(xiàn)在：側(cè)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(shù)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(nèi)噪聲水平的降低，空氣與車輛相互作用產(chǎn)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(shù)值方法的發(fā)展，數(shù)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(yè)流體軟件實現(xiàn)整車氣動噪聲數(shù)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(jié)構(gòu)對流場和氣動噪聲的影響展開研究，明確不同鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)在較大程度上影響流經(jīng)后視鏡罩的氣流速度和流線方向，對后視鏡后部流場和監(jiān)測點處聲壓級產(chǎn)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(guī)律.整車氣動噪聲源數(shù)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(shù)據(jù)，通過聲類比方法得到測點聲壓級頻譜.[5-8]

雖然國內(nèi)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(shù)高校和中小型企業(yè)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(fā)表的文獻缺乏試驗支撐.本文利用自身優(yōu)勢，有針對性地開展某車型氣動噪聲數(shù)值仿真和風洞試驗研究，并借助風洞試驗結(jié)果系統(tǒng)評估使用FLUENT和STAR-CCM+獲得表面噪聲源的精度，為后續(xù)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(nèi)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(chǎn)的某兩廂轎車位于風洞試驗段轉(zhuǎn)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?zhèn)髀暺靼惭b在側(cè)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?zhèn)髀暺骱虰&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(tǒng)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?zhèn)髀暺髯陨硇螤顚α鲌龅挠绊懀瑢?9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(wěn)定到140 km/h再開始采集數(shù)據(jù).

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(yè)軟件HyperMesh進行面網(wǎng)格劃分.由于整車包括機艙、底盤等復雜部件，在劃分面網(wǎng)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(wǎng)格，最小網(wǎng)格位于后視鏡（見圖4）、格柵、門把手和雨刮處，網(wǎng)格尺寸約為1.5～2.5 mm；大網(wǎng)格位于側(cè)窗、A柱和C柱等處，尺寸約為2.5～5.0 mm；大多數(shù)部件面網(wǎng)格約為5.0～10 mm，其中最大面網(wǎng)格為10 mm.計算域四周劃分為三角形網(wǎng)格，尺寸為150 mm.

面網(wǎng)格檢查無誤后分別導入到FLUENT和STAR-CCM+中生成體網(wǎng)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(wǎng)格.首層網(wǎng)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(qū)域，設置相同的網(wǎng)格加密區(qū)域，且網(wǎng)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(wǎng)格形式，共計8 600萬個的體網(wǎng)格.在STAR-CCM+中，使用Trim+layer策略生成計算域的體網(wǎng)格.Trim網(wǎng)格是目前汽車企業(yè)使用最為廣泛的體網(wǎng)格，其能使除邊界層網(wǎng)格區(qū)域外的大計算域生成為六面體網(wǎng)格，從而有效降低網(wǎng)格數(shù).正因如此，整個計算域生成4 700萬個體網(wǎng)格，數(shù)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(shù)據(jù).車身其他部件均采用無滑移壁面條件.在FLUENT中，利用可實現(xiàn)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(shù)按照表1設定.流動進入1.55 s后開始采集數(shù)據(jù)，共計2 500個時間步的計算結(jié)果用于數(shù)據(jù)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(zhì)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(qū)域采用k-w的SST湍流模型，其他區(qū)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.