王若平，王雪釗

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

汽車NVH(noise vibration and harshness)性能作為整車研發(fā)時的一項重要性能指標(biāo)越來越受到消費者和汽車工程師的重視[1]。隨著發(fā)動機(jī)噪聲、路噪、胎噪的降低，降低汽車行駛時的氣動噪聲逐漸成為人們更加關(guān)注的問題。在不同的行駛車速和偏航角下，車窗表面由于流固耦合作用產(chǎn)生的聲壓級也不盡相同。當(dāng)車速較高或偏航角達(dá)某一角度時，較大的風(fēng)噪聲會影響車內(nèi)語言清晰度，干擾車內(nèi)人員的正常交談?？紤]到風(fēng)洞實驗研究的高成本，計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)越來越多地被用來研究流體特性問題。已有研究表明，采用CFD方法在不同來流條件和道路湍流情況下求解風(fēng)噪聲對于研究氣流狀態(tài)對汽車氣動噪聲的影響具有重要意義[1]。王俊等[2]采用大渦模擬(large eddge simulation)研究了側(cè)風(fēng)下某車型A柱風(fēng)噪優(yōu)化問題,提出了A柱設(shè)計的要點和改進(jìn)措施。Graf等[3]研究了有無側(cè)向風(fēng)兩種工況下的車內(nèi)噪聲大小，發(fā)現(xiàn)在側(cè)向風(fēng)下背風(fēng)側(cè)的噪聲明顯高于無側(cè)風(fēng)時。蘇晨等[4]研究了雨刮對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量及優(yōu)化改進(jìn)措施，實驗研究表明雨刮風(fēng)噪聲主要與發(fā)動機(jī)機(jī)艙蓋的相對位置和前擋風(fēng)玻璃的傳遞損失有關(guān)。 Swamy Mukkera采用CFD-FEM(fluent & virtual lab)聯(lián)合仿真的方法，預(yù)測了車輛不同后視鏡結(jié)構(gòu)對車內(nèi)噪聲的影響水平。分析認(rèn)為，新結(jié)構(gòu)后視鏡方案能降低17%的噪聲[5]。該方法可以推廣到A柱、雨刮器、空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)噪分析。賈志浩[6]進(jìn)行了不同湍流模型對汽車外流場聲壓的數(shù)值模擬，對比實驗所測數(shù)據(jù)，得出4種不同湍流模型的計算精度與特點。

本文采用Catia、Hypermesh和Star-ccm+軟件對兩種車型進(jìn)行三維建模，通過網(wǎng)格劃分和外流側(cè)窗玻璃表面聲壓級求解計算，分別研究不同車速和不同偏航角下側(cè)窗玻璃表面聲壓級變化規(guī)律。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合得到曲線，并分析相關(guān)規(guī)律，得出結(jié)論。

1 車速對側(cè)窗玻璃表面聲壓級影響

1.1 聲壓級與車速的關(guān)系

FW-H方程考慮了運動的固體邊界對流體作用產(chǎn)生的影響，其氣動噪聲微分公式為

(1)

(2)

其中：ρ為流體密度；ui和uj為流體在i和j方向的速度分量；pij為應(yīng)力張量；δij為克羅內(nèi)克符號；ρ′為流體密度的波動量。

方程(1)右邊第1項為單極子聲源，其聲功率大小與氣流速度的4次方成正比。第2項為由于壓力差所導(dǎo)致的力聲源，稱為偶極子聲源，其聲功率與氣流速度的六次方成正比。第3項為四極子聲源，其聲功率與氣流速度的6次方成正比。單極子聲源的能量與汽車表面運動時物體表面的厚度變化有關(guān)，由于表面變化微小，故單極子聲源幾乎為零，可忽略不計。四極子聲源能量與偶極子聲源能量之比與馬赫數(shù)的平方成正比[7]，如式(3)所示。

E4/E2∝M2

(3)

當(dāng)汽車車速為200 km/h時，馬赫數(shù)為0.16左右，因此車輛氣動噪聲中四極子聲源所占比重較小，偶極子聲源占據(jù)主要比重。

偶極子聲源為氣動噪聲的主要聲源，當(dāng)接收點在較遠(yuǎn)處時，聲強(qiáng)可以描述為

(4)

式中：V為風(fēng)速;l為特征尺寸；r為接收點和聲源的距離；θ為接收點到發(fā)聲點的矢徑方向與風(fēng)速方向間的夾角[8]。由此可知，能量與車速的六次方成正比，即車速每增加1倍，車內(nèi)聲壓級將增加60lg2≈18 dB(A)左右。

通過理論求解計算得出聲壓級與車速的關(guān)系，下面通過仿真驗證理論的正確性。

1.2 模型的建立

1.2.1外case面模型建立

分別針對兩種車型展開研究。通過建立模型并劃分網(wǎng)格建立兩種車型的外case面有限元模型。圖1為車型1有限元模型，為某款小型SUV。圖2為車型2有限元模型，為某款中型SUV。風(fēng)噪聲主要由A柱及后視鏡引起，故為方便模型的建立，兩種有限元模型在進(jìn)氣格柵及車底盤處均通過簡化方式進(jìn)行處理。

圖1 車型1有限元模型

圖2 車型2有限元模型

1.2.2生成體網(wǎng)格

體網(wǎng)格生成在Star-ccm+軟件中進(jìn)行。將有限元模型置于數(shù)字風(fēng)洞中，通過軟件自帶接口進(jìn)行兩個軟件的銜接。本文采用多面體網(wǎng)格，風(fēng)洞模型采用同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)風(fēng)洞按1∶1建模，模型長22.8 m，寬18 m，高12.7 m。氣流易在A柱及后視鏡部位發(fā)生分離，在前側(cè)窗玻璃表面形成分離區(qū)及再附著區(qū)。因此，分別在后視鏡、A柱位置及總成外表面附加加密區(qū)以捕捉關(guān)鍵部位的流體狀態(tài)。 在遠(yuǎn)離車體的空間選用大尺寸網(wǎng)格參數(shù)以減少網(wǎng)格及節(jié)點數(shù)量。車輛靜止放置于風(fēng)洞中，為更好地模擬車身表面氣流梯度變化規(guī)律，設(shè)置5層六面體邊界層，厚度共為7.2 mm，邊界層增長率為1.2。風(fēng)洞地面邊界層為5層，厚度為70 mm、增長率為1.2。選取表面聲壓級最大值作為特定速度下的參考聲壓級。圖3為車型1置于風(fēng)洞中生成的體網(wǎng)格沿縱向?qū)ΨQ面(y=0)的剖切示意圖，共生成 3 154 639個體網(wǎng)格。車型2置于風(fēng)洞中，共生成 3 010 593個體網(wǎng)格。

圖3 車型1體網(wǎng)格縱向剖視圖

1.2.3數(shù)值求解

采用RANS法、k-ε湍流模型進(jìn)行湍流數(shù)值模擬。該方法對非線性的N-S方程進(jìn)行了時間上的平均化處理，故有效避免了時間與空間的影響，降低了對計算量及計算機(jī)資源的要求。風(fēng)洞入口流速為20～120 km/h，以10 km/h的間隔遞增，每個車型計算11組數(shù)據(jù)。采用靜壓出口，出口壓力為0 Pa。選取2階對流格式，固定壁面取無滑移(No-slide)邊界。

1.3 計算結(jié)果分析

邊界條件及物理模型設(shè)置完畢后，在Star-ccm+軟件中計算得車身表面壓力云圖。采用Core寬頻噪聲源模型進(jìn)行后處理得到駕駛員左側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖。計算兩種車型相關(guān)參數(shù)，共得22組數(shù)據(jù)，選取聲壓級云圖中最大聲壓級作為參考聲壓值。車型1及車型2參考聲壓級數(shù)值見表1。

表1 車型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級

表2 車型2側(cè)窗玻璃表面參考聲壓

車型1在60、90、120 km/h速度時，側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖如圖4～6所示。

將兩車型各速度下側(cè)窗玻璃表面聲壓級與對應(yīng)的車速進(jìn)行擬合得出折線圖，如圖7所示。

圖4 60 km/h時車型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖

圖5 90 km/h時車型1側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖

圖6 120 km/h時車型1測玻璃表面聲壓級云圖

圖7 兩種側(cè)窗玻璃表面聲壓級隨車速變化曲線

從圖7可以看出車型1、2具有相似的曲線趨勢。在中低速時曲線斜率相比高速時大，可見風(fēng)噪在低速時的增長速度較快。當(dāng)車速達(dá)到80 km/h時，聲壓級為77 dB左右，影響車內(nèi)人員的正常交談。兩種車型在相同速度下的聲壓級趨于相近，說明仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果具有可信性、一般性。式(1)表明，隨著速度增加50%，聲壓級增加12 dB，而速度增加1倍，聲壓級則增加18 dB左右。取圖3中80、120 km/h時對應(yīng)的表面聲壓級為77.5、88.9 dB，差值為12.4 dB。取圖3中30、60 及120 km/h時對應(yīng)聲壓級分別為52.4、71.6和89.8 dB，差值為19.2與19.8 dB。仿真結(jié)果與理論上的誤差可能是由網(wǎng)格尺寸設(shè)置、邊界條件設(shè)置等原因所致。汽車在中低速行駛時并未嚴(yán)格遵循一定規(guī)律，此時發(fā)動機(jī)噪聲及胎噪、路噪在整成噪聲中仍占據(jù)主要比例。

2 偏航角對駕駛員側(cè)玻璃表面聲壓級影響

在實際行駛過程中，受道路和環(huán)境狀態(tài)影響，譬如彎道、路橋、開闊路面和有風(fēng)天氣，車輛可能出現(xiàn)偏航角或者處于側(cè)向風(fēng)的環(huán)境中[2]，因此對偏航角的研究具有重要意義。

偏航角的定義遵循“順正逆負(fù)”的規(guī)律。當(dāng)車輛置于風(fēng)洞中沿順時針方向轉(zhuǎn)動10°時，表示+10°的偏航角，此時迎風(fēng)側(cè)為主駕駛員位置，背風(fēng)側(cè)為副駕駛員位置。圖8為偏航角為+10°時的氣流來流與車身位置的關(guān)系圖。通過在商業(yè)軟件Star-ccm+中計算穩(wěn)態(tài)側(cè)窗玻璃表面聲壓級，研究其隨偏航角的改變，并通過比較迎風(fēng)側(cè)和逆風(fēng)側(cè)聲壓級大小，探究兩側(cè)聲壓級存在的規(guī)律和比較有無偏航角狀態(tài)下的聲壓級大小。

圖8 +10°偏航角時氣流來流與車身的位置關(guān)系

為驗證研究內(nèi)容具有準(zhǔn)確性和一般性，仍采取車型1與車型2作為研究對象。汽車在120 km/h速度下行駛，自然風(fēng)速一般不超過10 m/s。當(dāng)側(cè)風(fēng)垂直于汽車縱向軸時，偏航角β=arctan0.3，約為17°[10]，取最大偏航角度為20°。車身外Case面模型為左右對稱，故只需研究正或負(fù)偏航角。因此，計算工況設(shè)定為120 km/h行駛速度下+5°、+10°、+15°、+20°偏航角，其他邊界條件不變。

應(yīng)用汽車外流場數(shù)值模擬的方法研究側(cè)風(fēng)作用下汽車周圍流場的形成機(jī)理與特點可以直觀地認(rèn)識流場各處速度、壓力分布、分離和渦流的產(chǎn)生及發(fā)展情況,對于深入分析側(cè)風(fēng)特性具有重要意義[10]。取零偏航角、風(fēng)速120 km/h為base狀態(tài)，研究無偏航角情況下車身表面壓力及流體分布狀態(tài)，在相同邊界條件下計算得出各偏航角下車身表面壓力云圖。圖9為base狀態(tài)下車身表面壓力分布云圖。

圖9 Base狀態(tài)車身表面壓力分布云圖

由圖9可知:無偏航角時，車身表面壓力及速度矢量分布沿縱軸對稱，在A柱、后視鏡及前擋風(fēng)玻璃和車頂交界處呈現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)。這是由于氣流以高速流過該區(qū)域時，表面凸起或氣流運動平面的改變在此處產(chǎn)生分離區(qū)所致。流體速度矢量云圖為車身表面流體流動方向及大小的表征，可以準(zhǔn)確地反映流體的流動及分布狀況。圖10為base狀態(tài)下車身周圍流體的速度矢量云圖，可以看出在A柱及后視鏡形成兩邊對稱的渦流，車門和底盤也存在較小的渦流區(qū)域。

圖10 Base狀態(tài)下速度矢量云圖

車型1在各偏航角下的車身表面壓力分布云圖見圖11。有偏航角時，車身的側(cè)偏破壞了無偏角時車身外流場的對稱性，在迎風(fēng)側(cè)面近車身處氣流速度較大[11]。由圖11可知，各偏航角情況下背風(fēng)側(cè) A柱及后視鏡表面壓力較其他區(qū)域小700～1 000 Pa。負(fù)壓區(qū)的存在會造成流體的抽吸，形成渦流。渦流的存在會形成聲源和風(fēng)噪聲。隨著負(fù)壓中心區(qū)域面積的增加，風(fēng)噪聲會越來越大。車型1的Base狀態(tài)及各偏航角下迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖如圖12所示，其中左為背風(fēng)側(cè)，右為迎風(fēng)側(cè)。

圖11 不同偏航角車身表面壓力云圖

圖12 各偏航角下兩側(cè)窗玻璃表面聲壓級云圖

Base狀態(tài)下，左右車窗表面聲壓級分布情況一致，最大聲壓級點均分布在后視鏡下緣后側(cè)。隨著偏航角的增大，背風(fēng)側(cè)最大處聲壓級從base狀態(tài)到+20°偏航角時分別為86.736、89.339、89.256、90.145、91.567 dB。由此可以得出：隨著偏航角的增大，車型1的背風(fēng)側(cè)聲壓級最大值存在逐漸增大的趨勢，但增大聲壓級并不是很明顯。分析5種狀態(tài)下背風(fēng)側(cè)次聲壓級分布狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著偏航角的增大，次聲壓級分布呈現(xiàn)自側(cè)窗上側(cè)逐漸下移的趨勢。迎風(fēng)側(cè)最大聲壓級從base狀態(tài)到+20°偏航角時依次為86.736、82.134、79.155、78.036、78.231 dB。

同理，分析車型2分別得出背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)最大聲壓級。將車型1、2的背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)參考聲壓級值擬合在一起得到圖13所示的背風(fēng)側(cè)及迎風(fēng)側(cè)聲壓級擬合曲線。

圖13 背風(fēng)側(cè)及迎風(fēng)側(cè)聲壓級擬合曲線

由圖13可知：車型1和車型2在120 km/h勻速行駛、存在偏航角的情況下，迎風(fēng)側(cè)前側(cè)窗玻璃表面聲壓級隨偏航角增大而減小；在背風(fēng)側(cè)，車型1側(cè)窗表面聲壓級最大值隨偏航角的增大而增大，而車型2在偏角達(dá)到20°時，側(cè)窗表面聲壓級最大值呈現(xiàn)下降的趨勢。這說明背風(fēng)側(cè)聲壓級變化并未遵循一定規(guī)律，需單獨考察。為了更好地觀察車型2偏航角大于20°時側(cè)窗表面聲壓級的變化情況，本文進(jìn)一步研究車型2在25°偏航角時，其側(cè)窗表面聲壓級的分布情況，結(jié)果如圖14所示，最大聲壓級出現(xiàn)在后視鏡后附近，大小為88.9 dB，仍小于20°偏航角時的90.6 dB。

圖14 +25°偏航角時背風(fēng)側(cè)車窗玻璃表面聲壓級云圖

為研究出現(xiàn)該趨勢的原因，分析車型2背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃在+5°、+10°、+15°、+20°、+25°偏角下氣流在X方向上的渦量云圖，如圖15所示。由圖15可知：側(cè)窗后視鏡后出現(xiàn)最大聲壓級處渦量值分別為21 082、26 529、38 146、29 751、20 311 s-1。圖15的擬合曲線表明渦量曲線圖趨勢與聲壓級隨偏航角變化趨勢一致，說明車型2的側(cè)窗聲壓級隨行駛偏航角的增大呈先增大后減小的趨勢，偏航角15°時出現(xiàn)最大聲壓級，且聲壓級大小與氣流形成的渦流量有關(guān)。

圖15 渦量變化曲線

3 結(jié)論

1) 隨著車速的升高，兩款車型風(fēng)噪聲均不斷增大，但增長速度逐漸變慢。當(dāng)車速超過80 km/h時已超過人們在車內(nèi)正常交流的聲壓級75 dB。

2) 不同偏航角下迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)側(cè)窗玻璃表面聲壓級不盡相同。迎風(fēng)側(cè)聲壓級隨偏航角的增大而減小，達(dá)到某角度時趨于穩(wěn)定值不再變化。背風(fēng)側(cè)聲壓級隨偏航角增大而增大，偏航角過大時可能出現(xiàn)聲壓級減小的情況?？傮w來說，存在側(cè)向風(fēng)時，汽車行駛車內(nèi)風(fēng)噪聲會增大。

3) 側(cè)窗玻璃表面聲壓級的大小與氣流流過后視鏡在側(cè)窗附近形成的渦流量有關(guān)，渦流越大聲壓級越大。

4) 在研究風(fēng)噪聲隨偏航角變化的過程中，未分析造成背風(fēng)側(cè)聲壓級出現(xiàn)減小的后視鏡造型問題，將在后期做進(jìn)一步研究。