江 昊，柳 陽(yáng)

（長(zhǎng)安汽車(chē)工程研究總院，重慶 401120）

車(chē)輛高速行駛過(guò)程中，氣動(dòng)噪聲是車(chē)內(nèi)主要噪聲源。主要由A柱和后視鏡的尾部湍流產(chǎn)生的聲波以及氣動(dòng)壓力作用在側(cè)窗玻璃上傳入車(chē)內(nèi)。由后視鏡誘導(dǎo)產(chǎn)生的高能量漩渦能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的外部噪聲和較大的流動(dòng)沖擊[1]。在整車(chē)開(kāi)發(fā)早期，通過(guò)數(shù)值模擬的方法可以預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲及其源頭，優(yōu)化造型設(shè)計(jì)來(lái)改善車(chē)內(nèi)噪聲，并且能減少后期整改造型及強(qiáng)化吸隔聲帶來(lái)的高額成本。YAO Huadong等[2]采用通用后視鏡和簡(jiǎn)易乘員艙模型對(duì)不同邊界條件下的車(chē)內(nèi)噪聲分析精度進(jìn)行了研究，得出在高頻范圍，可壓縮LES模型的車(chē)內(nèi)噪聲要高于可壓縮DES模型。ASK[3]在后視鏡造型優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)對(duì)后視鏡周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷造型細(xì)節(jié)的優(yōu)劣并對(duì)其進(jìn)行修改。這種方法在一定程度上會(huì)存在無(wú)效果或是負(fù)效果的情況，延長(zhǎng)了優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。近年來(lái)基于梯度求解的Adjoint方法在多參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。NADARAJAH等[4]和GILES等[5]對(duì)連續(xù)伴隨方法和離散伴隨方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，離散伴隨方法能夠得到比連續(xù)伴隨方法更一致的結(jié)果，但差別普遍較小。連續(xù)伴隨方法相對(duì)離散伴隨方法所需要的計(jì)算資源大為減少，更加符合工程需求。查爾姆斯理工大學(xué)利用開(kāi)源軟件OpenFOAM開(kāi)發(fā)了以體聲源強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)，基于連續(xù)伴隨方法的形面優(yōu)化數(shù)值方法，并在簡(jiǎn)易盒體模型上驗(yàn)證了該功能[6]。本文將類(lèi)似方法運(yùn)用到后視鏡氣動(dòng)噪聲優(yōu)化分析中，對(duì)某SUV后視鏡單體進(jìn)行風(fēng)噪敏感度分析，得出后視鏡敏感度云圖，并按照敏感度云圖的定性指導(dǎo)進(jìn)行后視鏡風(fēng)噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 氣動(dòng)噪聲敏感度的連續(xù)伴隨方法

Lighthill體聲源作為車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲重要來(lái)源，可由聲比擬方程得到：

式中：Tij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量，可以寫(xiě)為：

等式右側(cè)，第1項(xiàng)為雷諾應(yīng)力項(xiàng)，第2項(xiàng)在沒(méi)有熵變的情況下視為0，第三項(xiàng)τij在高雷諾數(shù)流動(dòng)中也視為0[6]。

因此，式（1）右側(cè)可寫(xiě)為：

伴隨方法可歸結(jié)為對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)求極小值，其中速度V與壓力P以及設(shè)計(jì)變量α都受到N-S方程的約束。本文中設(shè)計(jì)變量取為后視鏡外表面格點(diǎn)的法向位移。極小值問(wèn)題可描述為：

引入拉格朗日乘子u和q作為拉格朗日松弛因子，以將約束條件納入考慮，式（4）可寫(xiě)為：

式中：u為伴隨速度；q為伴隨壓力；R為約束條件即RANS不可壓縮流動(dòng)和連續(xù)性方程；Ω為流體域。極值點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算L的變分來(lái)得到：

其中，流場(chǎng)量V和P滿(mǎn)足N-S方程。由式（6）即可導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)，也就是氣動(dòng)噪聲敏感度。

2 后視鏡模型

本文選用某SUV車(chē)型后視鏡單體作為計(jì)算模型，后視鏡幾何模型如圖1所示。根據(jù)后視鏡單體尺寸創(chuàng)建長(zhǎng)、寬、高分別為4.5 m、10 m、4 m的計(jì)算域。通過(guò)計(jì)算，該后視鏡單體迎風(fēng)面積為0.035 m2，因此，該模型的阻塞率約為0.2%。

采用OpernFOAM中的Snappyhex網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行體網(wǎng)格劃分和加密。為了協(xié)調(diào)計(jì)算精度與計(jì)算效率的平衡，采用逐層加密策略，最小網(wǎng)格尺寸為2 mm。圖2為X= 0的截面體網(wǎng)格示意圖。

圖1 后視鏡單體模型

圖2 模型體網(wǎng)格截面

3 結(jié)果與討論

圖3為后視鏡表面敏感度云圖分析結(jié)果。敏感度參數(shù)為正值（紅色）區(qū)域表示該部分需向內(nèi)側(cè)收縮以減小氣動(dòng)噪聲，敏感度參數(shù)為負(fù)值（藍(lán)色）區(qū)域表示該部分需向外側(cè)擴(kuò)張以減小氣動(dòng)噪聲。

圖3 后視鏡敏感度云圖

由圖3可知：在后視鏡主體前端棱邊處以及鏡臂與主體交接處的敏感度較大，可以通過(guò)向內(nèi)側(cè)收縮來(lái)減小氣動(dòng)噪聲?？蓮牧鲌?chǎng)信息中分析該情況產(chǎn)生的原因。

圖4為后視鏡的俯視圖。從圖中可以看出后視鏡主體內(nèi)側(cè)面與Y截面存在一個(gè)夾角，較大的夾角會(huì)影響后視鏡周?chē)鲌?chǎng)，進(jìn)而影響到整個(gè)頻段下乘員艙內(nèi)的噪聲。

圖4 后視鏡俯視圖

圖5為目標(biāo)后視鏡表面壓力云圖。從表面壓力云圖可以看到：在后視鏡主體前端棱邊有一定的負(fù)壓區(qū)。形成該現(xiàn)象的原因主要是鏡體內(nèi)側(cè)面與Y截面的夾角較大，導(dǎo)致前方來(lái)流在鏡體棱邊處發(fā)生分離形成渦流，并且延伸到鏡臂，而渦流在分離處的脫落所產(chǎn)生的噪聲是整車(chē)氣動(dòng)噪聲的重要組成部分。

圖5 后視鏡表面壓力云圖

圖6為Z=0.915截面速度云圖。從圖中可以看到后視鏡主體后端產(chǎn)生了不規(guī)則的低速區(qū)，并且由于后視鏡前端棱邊與Y截面夾角過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)區(qū)域形成較大的低速區(qū)。后視鏡所產(chǎn)生的不規(guī)則尾流會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)氣動(dòng)噪聲有較大的負(fù)面影響。

圖6 Z=0.915截面速度云圖

圖7為Z=0.915截面壓力云圖。從圖中可以看出，也是在鏡體前端棱邊處有突變的低壓區(qū)域產(chǎn)生，隨之產(chǎn)生的流動(dòng)分離導(dǎo)致了較強(qiáng)的噪聲源。

圖7 Z=0.915截面壓力云圖

通過(guò)以上分析可知，圖3所示的風(fēng)噪敏感度分析結(jié)果是合理的，可以用于指導(dǎo)后視鏡的風(fēng)噪優(yōu)化。

4 優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)后視鏡風(fēng)噪敏感度云圖結(jié)果，完成后視鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖8為優(yōu)化后的后視鏡結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方向在于鏡臂的內(nèi)收，后視鏡內(nèi)側(cè)面前端內(nèi)收以減小與Y截面的夾角。

通過(guò)商用CFD軟件對(duì)優(yōu)化前后的模型進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲計(jì)算，圖9為兩個(gè)后視鏡模型100～10 000 Hz車(chē)內(nèi)駕駛員頭部區(qū)域聲壓級(jí)曲線(xiàn)。由圖可知，在全頻段內(nèi)風(fēng)噪聲均有降低，300～1 000 Hz和2 000～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)，優(yōu)化后的模型相比原始模型使車(chē)內(nèi)噪聲最大減小2 dB(A)。

圖8 優(yōu)化后的后視鏡結(jié)構(gòu)

圖9 車(chē)內(nèi)駕駛員頭部區(qū)域聲壓級(jí)曲線(xiàn)

對(duì)新/舊兩個(gè)版本后視鏡的風(fēng)噪效果開(kāi)展了路試試驗(yàn)對(duì)比，主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，采用新版后視鏡后，車(chē)內(nèi)風(fēng)噪聲有明顯的改善。

由此可以看出，本文提出的這種風(fēng)噪優(yōu)化方法，即基于連續(xù)伴隨方法計(jì)算風(fēng)噪敏感度-基于敏感度對(duì)高敏感部位進(jìn)行優(yōu)化-通過(guò)仿真/試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠有效地應(yīng)用于風(fēng)噪性能的提升。后續(xù)工作中，計(jì)劃將此方法應(yīng)用于整車(chē)的風(fēng)噪敏感度分析和優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文基于開(kāi)源軟件OpenFOAM，對(duì)目標(biāo)后視鏡完成流場(chǎng)計(jì)算，并以L(fǎng)ighthill體聲源為目標(biāo)函數(shù)，采用連續(xù)伴隨方法進(jìn)行表面風(fēng)噪敏感度分析，得出目標(biāo)后視鏡的風(fēng)噪聲聲源主要由鏡體棱邊過(guò)于突出和鏡體內(nèi)側(cè)面與Y截面的夾角過(guò)大引起。通過(guò)對(duì)后視鏡表面壓力、截面壓力和截面速度進(jìn)行分析，證明了風(fēng)噪敏感度結(jié)果的合理性。通過(guò)商用CFD軟件對(duì)優(yōu)化前后的后視鏡模型進(jìn)行車(chē)內(nèi)風(fēng)噪分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后的后視鏡模型使車(chē)內(nèi)噪聲明顯降低。最后通過(guò)路試試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，證明風(fēng)噪表面敏感度能夠有效地指導(dǎo)后視鏡風(fēng)噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。