賈志龍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

汽車在高速行駛的過(guò)程中，打開(kāi)車窗會(huì)使進(jìn)入車內(nèi)的氣流出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，形成壓力大小不一的氣團(tuán)。它們之間相互摩擦和擠壓碰撞，造成空氣噪聲，嚴(yán)重影響到乘客的舒適度和駕駛的安全性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得知車輛正常行駛速度時(shí)風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的頻率范圍為15～65 Hz，嚴(yán)重超速時(shí)會(huì)更高，容易對(duì)人耳泛音區(qū)域產(chǎn)生共振。當(dāng)風(fēng)振噪聲的強(qiáng)度達(dá)到150 dB以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生低頻共振的嗡嗡聲，此時(shí)不僅嚴(yán)重地影響車內(nèi)人員交流的清晰度，而且長(zhǎng)時(shí)間處于風(fēng)振噪聲的環(huán)境對(duì)人的大腦會(huì)出現(xiàn)眩暈狀態(tài)[1]。

湖南大學(xué)的肖朕毅、谷正氣教授曾系統(tǒng)地闡述了風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和風(fēng)振噪聲對(duì)乘客的影響，同時(shí)對(duì)風(fēng)振噪聲的控制方法提出了建設(shè)性的意見(jiàn)。給研究風(fēng)振噪聲領(lǐng)域指明了研究方向[2]。

上海交通大學(xué)的黃磊繼續(xù)對(duì)汽車天窗引起的風(fēng)振噪聲深入研究。通過(guò)研究汽車上部氣流的變化，針對(duì)氣團(tuán)的消除，設(shè)計(jì)了兩種控制方法，即安裝網(wǎng)狀擋風(fēng)條和減小天窗玻璃開(kāi)口面積。并著重探討了網(wǎng)狀擋風(fēng)條對(duì)風(fēng)噪的影響，在實(shí)際測(cè)試中也得到了良好的降噪效果。

研究汽車的車身整體結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)噪的影響，對(duì)于降低風(fēng)噪影響的效果更為重要。這需要對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算。在分析問(wèn)題初期需要通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)計(jì)算汽車各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的影響，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出的觀點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算所需投入的時(shí)間較少和資金成本較低，可以提供實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的空氣流場(chǎng)的瞬態(tài)特性、壓力梯度和湍動(dòng)強(qiáng)度?？梢苑治龊徒沂疽恍?shí)驗(yàn)無(wú)法了解的復(fù)雜問(wèn)題和現(xiàn)象。

1 車廂模型的建立

本方案以轎車實(shí)際尺寸參數(shù)模型為研究對(duì)象，利用CATIA軟件進(jìn)行繪制三維模型，方便對(duì)后續(xù)流體動(dòng)力學(xué)的研究。由于汽車駕駛員的存在是必要因素而不能簡(jiǎn)化，所以在汽車模型中加入駕駛員簡(jiǎn)易模型。同時(shí)對(duì)影響流體湍動(dòng)的其他必要構(gòu)件進(jìn)行保留。

例如A柱、B柱、C柱，兩側(cè)后視鏡、前后排頭枕，汽車座椅。通過(guò)把實(shí)際車身尺寸三維數(shù)字化和精確化，并且設(shè)置打開(kāi)左前車窗和左后車窗，車窗最大程度還原真實(shí)流場(chǎng)的變化情況。同時(shí)考慮流動(dòng)的空氣與汽車車廂接觸的部分，其他未與氣流進(jìn)行交換的汽車零件進(jìn)行刪減和簡(jiǎn)化處理。

最后得到的整車簡(jiǎn)化模型及車廂內(nèi)部模型如圖1和圖2所示。

圖1 整車簡(jiǎn)化模型

圖2 車廂內(nèi)部模型

2 邊界條件設(shè)置和數(shù)值求解

本計(jì)算域邊界條件的設(shè)置如表1所示。風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)進(jìn)入汽車箱體內(nèi)湍動(dòng)能為0.5%，有效直徑為10.285 7。風(fēng)出口的壓力為101 325 Pa，后車窗湍動(dòng)能以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取5%，有效直徑與前面進(jìn)口相同。

稍有不同的是計(jì)算域地板設(shè)置為移動(dòng)壁面，這是因?yàn)槠囋趯?shí)際行駛時(shí)地面并不存在附面層，為消除地面效應(yīng)對(duì)汽車外部氣體流動(dòng)的影響，由文獻(xiàn)[3]可知，采用本文的設(shè)置是可行的[3]。

表1 邊界條件的設(shè)置

3 模擬結(jié)果及其分析

通過(guò)Fluent軟件數(shù)值仿真計(jì)算得到汽車前后車窗開(kāi)啟時(shí)氣流流入車廂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)氣流的壓力梯度和湍動(dòng)強(qiáng)度比較分析，得出車內(nèi)外風(fēng)振噪聲的原因。

圖3 左前窗開(kāi)啟時(shí)的水平截面瞬態(tài)壓力云圖

通過(guò)圖3所示，左前窗開(kāi)啟時(shí)，氣流從車身外側(cè)到車廂內(nèi)部壓力梯度顯示為實(shí)線區(qū)域1（壓力范圍為-234～-300 Pa）、虛線區(qū)域 2（壓力范圍為 -102～-201 Pa）、短虛線區(qū)域 3（壓力范圍為 -36～-102 Pa）[4]。說(shuō)明壓力以梯度形式進(jìn)入車廂內(nèi)，只是在人體頸部周圍引起了紊流，內(nèi)部空間壓力梯度線會(huì)呈現(xiàn)波浪狀態(tài)，并沒(méi)有較大的氣團(tuán)發(fā)生摩擦碰撞。主要是因?yàn)锳柱和后視鏡組成外形復(fù)雜結(jié)構(gòu)。氣流在此處會(huì)發(fā)生大的氣流分離現(xiàn)象，且由于后視鏡的存在，導(dǎo)致后視鏡前部產(chǎn)生高壓。后部產(chǎn)生大小不一的氣團(tuán)明顯造成壓力分布不均，車身外側(cè)氣團(tuán)形成較為強(qiáng)烈，車廂內(nèi)部空間范圍相對(duì)較大，氣團(tuán)不易產(chǎn)生，氣流不能有效進(jìn)入車廂內(nèi)部。風(fēng)振噪聲在左前車窗外部強(qiáng)烈，內(nèi)部較小。

圖4 左右窗開(kāi)啟時(shí)的水平截面瞬態(tài)壓力云圖

通過(guò)圖4所示，左后窗開(kāi)啟時(shí)，空氣大量流入車內(nèi)箱體，壓力云圖顯示空氣形成氣團(tuán)，壓力分布不均勻。車廂內(nèi)部主要產(chǎn)生4個(gè)氣團(tuán)，一個(gè)是由于前部頭枕的干擾形成的氣團(tuán)；一個(gè)是后車窗壓力得到釋放形成的氣團(tuán)；一個(gè)是后部頭枕前形成壓力梯度變化較大的氣團(tuán)；最后一個(gè)是在頭枕與后擋風(fēng)玻璃形成波及范圍最大的氣團(tuán)[5]。正是這4個(gè)比較大的氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)、相互摩擦和擠壓，是車廂內(nèi)風(fēng)振噪聲的主要原因。4個(gè)區(qū)域周而復(fù)始地產(chǎn)生氣團(tuán)造成了高強(qiáng)度、低頻率的噪聲，需要對(duì)這4個(gè)區(qū)域的相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)降噪效果。

圖5 左前窗開(kāi)啟時(shí)的湍動(dòng)能云圖

通過(guò)圖5所示，前車窗開(kāi)啟，流體經(jīng)過(guò)A柱和后視鏡結(jié)構(gòu)造成流體擾動(dòng)較大，并且在車窗內(nèi)氣壓低的前提下，車身外側(cè)的空氣也形成4個(gè)湍流強(qiáng)度大的氣團(tuán)，這是車外噪聲最大的引起因素。4個(gè)氣團(tuán)依次交錯(cuò)，相互摩擦產(chǎn)生噪聲[6]。

圖6 左后窗開(kāi)啟時(shí)的湍動(dòng)能云圖

通過(guò)圖5和圖6相比較，雖然圖5中氣流擾動(dòng)范圍較大，但從圖6中看出后窗開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生一個(gè)湍動(dòng)強(qiáng)度較大氣團(tuán)。高湍動(dòng)能的氣團(tuán)，所以開(kāi)啟后窗時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)振噪聲。在后排頭枕處形成渦動(dòng)氣團(tuán)，渦動(dòng)能量達(dá)到最大，車內(nèi)噪聲主要源于此處。

通過(guò)圖5和圖6車身外側(cè)氣流變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)左前車窗開(kāi)啟時(shí)，車身外側(cè)氣流波動(dòng)面積和波浪程度都比開(kāi)啟左后車窗的程度變化較大。主要是由于左前車窗部位的特殊結(jié)構(gòu)引起了空間氣壓變化較大，導(dǎo)致氣流橫向的擴(kuò)張速度較快，變化大。

4 結(jié)論

通過(guò)上述數(shù)值分析可以得出以下結(jié)論：

a）車外最大的風(fēng)振噪聲來(lái)源于A柱和后視鏡形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)氣流造成較大的擾動(dòng)。

b）車內(nèi)最大的風(fēng)振噪聲來(lái)源于后窗開(kāi)啟時(shí)后排頭枕間形成湍動(dòng)較大區(qū)域。

c）前車窗開(kāi)啟比后車窗開(kāi)啟對(duì)氣流的影響較大。車身外部的氣流形成波浪幅度較大，容易在車身外形成風(fēng)振影響。

上述研究和結(jié)論為深入研究風(fēng)振噪聲提供了有效的技術(shù)手段，有助于研究空氣在前后車窗開(kāi)啟時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度、轉(zhuǎn)角等隨空間與時(shí)間的變化，以及流體穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況，從而為基于降噪效果的車身優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。