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        潮濕路表條件下輪胎噪聲的模擬方法

        2020-03-31 12:21:42潘杰
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年6期
        關(guān)鍵詞:偶極子聲場聲源

        潘杰

        (東南大學(xué)交通學(xué)院,南京211189)

        1 水動力噪聲

        水動力噪聲是流體動力學(xué)噪聲的重要分支,涉及軍事國防領(lǐng)域,還包括民生領(lǐng)域,交通領(lǐng)域等準確量化水動力噪聲具有重要意義。水動力噪聲是由固體表面受湍流脈動壓力激勵或者湍流與空腔、突體和附體等作用而產(chǎn)生的,所以水動力噪聲常常與振動、機械噪聲等共同存在于一個噪聲環(huán)境。

        流體動力學(xué)噪聲域的發(fā)展晚于彈性物體表面的振動噪聲,1952 年,Lighthill 提出了通過改寫N-S 方程建立了著名的Lighthill 聲類比方程研究噴氣噪聲,流體動力學(xué)噪聲的研究才真正開始。1955 年,Curle 將Lighthill 方程的推廣到固壁作用。1969 年,F(xiàn)fowcs-williams 和Hawking 在Curle 方程基礎(chǔ)上,運用廣義函數(shù)理論推導(dǎo)出FW-H 聲波波動方程。此后,用數(shù)學(xué)方法較為精確地描述流體動力學(xué)噪聲[1~3]。

        隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,人們開始嘗試使用數(shù)值方法求解流體動力學(xué)噪聲,聲類比方法就是其中廣泛運用的一種。使用Lighthill 聲類比方法求解水動力噪聲,先選取合適的湍流模型,求解非定常流場,作為計算等效聲源,進而運用古典聲學(xué)求解聲學(xué)波動方程來預(yù)報。和計算氣動聲學(xué)相比,Lighthill 聲類比方法計算流體動力學(xué)噪聲的優(yōu)勢在于將噪聲的產(chǎn)生和傳播分為兩部分計算,計算效率更高[4,5]。

        2 聲類比方法

        2.1 聲源分類

        與經(jīng)典聲學(xué)相似,Lighthill 運用點源來表示水動力噪聲源,即單極子聲源、偶極子聲源、四極子聲源。在潮濕路面上行車時,屬于流體域的馬赫數(shù)不高的情況,流體發(fā)聲源主要為偶極子源,故在此僅介紹聲偶極子源。潮濕路面行車,2 個相距很近的聲源點S+和S-,它們的振動幅值相同,但是相位相反,由這樣的2 個點聲源構(gòu)成的合成聲源稱為聲偶極子。

        同源強Q,聲偶極子產(chǎn)生的聲源點聲源聲壓,聲輻射功率正比于聲壓幅值的平方,因此,聲偶極子的輻射效率很差。

        2.2 Lighthill 聲類比

        Lighthill 提出了聲類比方法來計算聲速和密度都是常數(shù)的無限均勻流體中較小范圍湍流所產(chǎn)的聲輻射。Lighthill 通過改寫流體力學(xué)N-S 方程得到著名的萊特希爾方程:

        式中,c0為聲速;籽0 為密度;v為速度;Tij為Lighthill 湍流應(yīng)力張量。

        若可能存在的任何固壁對聲場的影響極其微小,在無固壁的條件下,求解方程可以引入格林函數(shù),可得到:

        該方程可以解決無固壁條件下的噴流噪聲的求解問題。

        3 模型建立與研究方法

        3.1 基于Abaqus 的模型建立

        Abaqus 中建立輪胎受力變形的實體模型,加上潮濕路表條件,運用流固耦合完成建模。以一個光面,型號為205/55 R16 輪胎和平整路面為例。(車速80km/h,水膜厚度5mm)。

        3.2 流場計算與聲學(xué)有限元模型建立

        根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)置流場邊界條件:進口流速80km/h 和進出口壓力101.325kPa。對流場計算域建模并進行網(wǎng)格劃分,在計算流體力學(xué)軟件Fluent 中采用多相流模型進行非定常計算獲得流場脈動壓力,如圖1 所示。

        圖1 流場脈動壓力

        如果模擬得到的流場的脈動壓力計算值與實驗值或誤差小于5%,則可以輸出脈動壓力作為流場中偶極子聲源信息,用于聲場分析;否則,修改流場參數(shù),重復(fù)上述操作。

        基于Abaqus 得到變形后輪胎模型,在Solidworks 中使用布爾減法得到聲場計算域,根據(jù)聲場計算精度聲場網(wǎng)格的單元長度應(yīng)滿足:

        式中,L為網(wǎng)格的單元長度,c為聲音在某流體介質(zhì)中的傳播速度,fmax為最高設(shè)計頻率。

        利用Virtual Lab Acoustics 的聲學(xué)有限元模塊,提取出流體與輪胎接觸面上的脈動壓力數(shù)據(jù)和計算流體力學(xué)網(wǎng)格信息。并在Virtual Lab Acoustics 中建立聲學(xué)有限元模型,將完成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入聲學(xué)有限元模型中,設(shè)置聲場中的實驗監(jiān)測點并定義單元組和出口屬性;并將聲音的傳播介質(zhì)設(shè)置為空氣。

        將計算流體力學(xué)網(wǎng)格和聲學(xué)網(wǎng)格使用保守最大距離的方式進行映射。對計算流體力學(xué)計算所得的時域數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換,轉(zhuǎn)化為頻域信號,轉(zhuǎn)換頻率范圍為200~3400Hz。最后,采用聲學(xué)有限元軟件Virtual Lab Acoustics 進行聲學(xué)響應(yīng)計算,輸出聲壓級云圖和監(jiān)測點的聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)。如果聲場計算所得的聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)符合實驗結(jié)果(或誤差小于5%),則將其輸出作為結(jié)果。

        4 結(jié)論

        從模擬結(jié)果圖2 可以看出,在噪聲聲壓值、聲壓級-頻率函數(shù)在200~1250Hz 范圍內(nèi)的變化趨勢更加符合實驗數(shù)據(jù),可以看出數(shù)值模擬方法具有一定的準確性。本項目基于Abaqus等軟件進行建模,可以有效且較為準確地模擬出潮濕路表條件下行車噪聲地數(shù)值。該方法的結(jié)果與實驗的比對驗證了其準確性,實際的操作也較為科學(xué)與可行。該方法可以為未來雨天行車噪聲數(shù)值的預(yù)警等研究提供思考。

        圖2 數(shù)值比對

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