張錦宙 陳思佳 陸增俊 羅丹

摘 要：本文旨在采用CFD仿真方法對卡車后視鏡風(fēng)振的來源和產(chǎn)生風(fēng)振原因進(jìn)行分析和預(yù)測，在車速從40-100km/h的工況區(qū)間對聲壓級進(jìn)行仿真分析，同時(shí)通過與實(shí)車測試結(jié)果進(jìn)行對比，從而有效預(yù)測和高速行駛中由卡車后視鏡引起的車內(nèi)氣動(dòng)噪聲，為改善某卡車后視鏡氣動(dòng)噪聲性能提供指導(dǎo)方向，以期從聽覺上提升駕駛室感官質(zhì)量水平。

關(guān)鍵詞：后視鏡;氣動(dòng)噪聲;風(fēng)振;聲壓級;聲學(xué)有限元

1 前言

隨著用戶對卡車舒適性和感官質(zhì)量要求的提高，駕駛室內(nèi)氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為其中一個(gè)重要的判定指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)表明，伴隨著車輛行駛速度提高，車內(nèi)氣動(dòng)噪聲會(huì)愈發(fā)突出，伴隨著近年來卡車外部機(jī)械結(jié)構(gòu)部件和輪胎噪聲改善課題研究的不斷推進(jìn)，由后視鏡產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為最重要的外部氣動(dòng)噪聲來源，除此之外，卡車在雨天高速行駛中，后視鏡與周圍流場出現(xiàn)劇烈相互作用形成尾渦和湍流，導(dǎo)致雨水在在鏡面上形成積壓，影響行車安全。

2 問題來源

據(jù)市場售后反饋，某卡車在高速行駛速度超過80km/h時(shí)，在司機(jī)側(cè)車門玻璃打開的情況下，駕駛室內(nèi)出現(xiàn)出現(xiàn)明顯的氣動(dòng)噪聲，影響駕乘舒適性。

針對該問題，通過現(xiàn)場實(shí)車排查測試，發(fā)現(xiàn)在對后視鏡整體角度進(jìn)行調(diào)節(jié)后，對應(yīng)的在高速行駛中的室內(nèi)氣動(dòng)噪聲變化較明顯，因此，可以確定針對該卡車，高速行駛過程中由后視鏡產(chǎn)生的風(fēng)振是室內(nèi)氣動(dòng)噪聲的主要來源。為了改善該后視鏡的氣動(dòng)噪聲性能，提升駕駛室感官質(zhì)量水平，在項(xiàng)目中采用了CFD仿真結(jié)合實(shí)車測試驗(yàn)證的方法對后視鏡氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測并提出整改建議。

3 CFD仿真相關(guān)理論

3.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算駕駛室外流場

對于該卡車后視鏡氣動(dòng)噪聲計(jì)算，首先建立駕駛室外部的流場區(qū)域，采用RANS模型中SST（Menter）模型計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場。其外部的流動(dòng)屬于低速粘性流動(dòng)，控制方程可寫為：

式中，為空氣密度;為時(shí)間;為速度矢量;為對流項(xiàng);為擴(kuò)散項(xiàng);為源項(xiàng)。對于連續(xù)方程，=1，=0，=0。對動(dòng)量方程，以方向?yàn)槔?，，，，其中為粘性系?shù)，為層流粘性數(shù)，為湍流粘性系數(shù)，為壓力，為方向速度。

3.2 瞬態(tài)計(jì)算駕駛室外流場

本文采用基于SST（Menter）兩方程湍流模型求解Navier-Stokes方程的DES方法，在近壁面區(qū)域用RANS求解，使得邊界層內(nèi)計(jì)算量較小;遠(yuǎn)壁面區(qū)域采用LES求解。該模型是與的混合模型，控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)兩種模型在不同情況下的轉(zhuǎn)換。SST（Menter）控制方程為：

式中，為湍動(dòng)能;為比耗散率;為速度分量;、為湍流生成項(xiàng);為控制參數(shù);、、、、、為參數(shù)。

在SST（Menter）湍流模型方程的耗散項(xiàng)中，湍流尺度參數(shù)為

在DES方法中，由代替，其中為網(wǎng)格單元間的最大距離，常數(shù)。在靠近壁面的邊界層中，《，該模型充當(dāng)SST（Menter）湍流模型;在遠(yuǎn)離壁面區(qū)域，》，該模型充當(dāng)大渦模擬中的亞格子雷諾應(yīng)力模型。

4 輸入及數(shù)值模擬條件

4.1 仿真輸入

基于該卡車的駕駛室仿真方案如圖1所示，將原車和優(yōu)化后的駕駛室作為模型。

設(shè)駕駛室模型的長度、寬度、高度分別為L、W、H，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立長方形計(jì)算域。長度方向?yàn)?0L=45m，計(jì)算域入口距模型 3L，可還原空氣流動(dòng)的湍動(dòng)能特征;出口距模型16L，保證了駕駛室模型后方完整的尾流結(jié)構(gòu);寬度為5W=15m，高度為 6H=13m，駕駛室離地面高度0.4H=1m。計(jì)算域模型如圖 2所示。

4.2 網(wǎng)格模型

六面體網(wǎng)格劃分，6層邊界層，最里層約0.25mm，格數(shù)量約3840萬，網(wǎng)格截止頻率大都超過100Hz，如圖3所示。

4.3 仿真輸入?yún)?shù)

輸入?yún)?shù)如表1所示。

4.4 分析流程

針對外后視鏡外形和外伸量變動(dòng)引起的駕駛室氣動(dòng)噪聲變化，本文采用CFD軟件對駕駛室外流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的計(jì)算以及分析，隨后利用LMS.VIRTUAL.LAB聲學(xué)有限元軟件將CFD計(jì)算的專業(yè)聲學(xué)代碼做數(shù)據(jù)的映射和傅里葉變換，得到駕駛室聲學(xué)空間的聲壓級分布和場點(diǎn)聲壓級分布的云圖，分析流程如圖4所示。

5 CFD仿真數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

5.1 后視鏡風(fēng)振產(chǎn)生原理

經(jīng)CFD仿真模擬，卡車行駛過程中氣流流過后視鏡前端扁平型面產(chǎn)生尾渦，尾渦在向后運(yùn)動(dòng)中生長變大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至側(cè)窗后邊沿時(shí)撞擊破碎將渦核壓力傳入駕駛室，駕駛室整體壓力變小產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)。尾渦的產(chǎn)生、生長、撞擊、破碎脫落及再次周期性產(chǎn)生并作用于室內(nèi)的現(xiàn)象稱為風(fēng)振。如圖5所示。

5.2 實(shí)車試驗(yàn)測試

頻譜采集試驗(yàn)測試場地為瀝青高速路面，測試對象為該卡車整改前后的整體式后視鏡，設(shè)備采用比利時(shí)LMS公司Test. lab噪聲測試設(shè)備以及丹麥GRAS公司的預(yù)極化傳聲器和前置放大器，如圖6所示。

測試過程如圖7所示，為探究不同車速下后視鏡氣動(dòng)噪聲的變化情況，對40km/h～100km/h區(qū)間的車速進(jìn)行測試，每間隔10km/h測量一次共7組數(shù)據(jù)，測試點(diǎn)在駕駛員左耳邊。圖8是實(shí)測聲壓級變化曲線，在車速達(dá)到70km/h時(shí)，原車駕駛室聲壓級明顯增大，如圖中紅色曲線所示，圖中綠色曲線是優(yōu)化后的狀態(tài)，隨著車速增加，改善效果愈明顯，在車速達(dá)到100km/h時(shí)聲壓級降低了8dB，如綠色曲線所示。

5.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

CFD仿真結(jié)果和實(shí)車測試結(jié)果如圖9所示，當(dāng)車速達(dá)到90km/h時(shí)，原車后視鏡的實(shí)測值為113.7dB，仿真值為116dB;優(yōu)化后整體式后視鏡的實(shí)測值為106.1dB，仿真值為111.3dB，其在該時(shí)速下對應(yīng)的仿真和實(shí)測風(fēng)振頻率對比如圖10所示，仿真共振頻率為12.4Hz，而實(shí)測共振頻率為18Hz，可以看出，雖然兩者間存在差異，但從整體來看，在忽略其他噪聲影響的基礎(chǔ)上，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在聲壓級大趨勢一致，證明了工程應(yīng)用仿真方法在一定程度上具有其準(zhǔn)確性，比較精確的預(yù)測了后視鏡型面和外伸量變化對室內(nèi)噪聲的影響。

5.4 后視鏡風(fēng)振改善機(jī)理分析

從仿真壓力云圖可以看出，原車后視鏡內(nèi)側(cè)面與駕駛室存在夾角，導(dǎo)致高速行駛過程中后視鏡尾渦通過車門窗導(dǎo)向駕駛室，因此室內(nèi)氣動(dòng)噪聲大，優(yōu)化后的后視鏡內(nèi)側(cè)面與駕駛室側(cè)圍基本平行，且較遠(yuǎn)離駕駛室，尾渦未直接導(dǎo)入駕駛室，因此室內(nèi)氣動(dòng)噪聲較小，具體如圖11所示。

6 總結(jié)

本文通過采用CFD仿真分析對駕駛室內(nèi)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析與預(yù)測，首先確定了室內(nèi)風(fēng)振的產(chǎn)生來源及產(chǎn)生原理，在聲學(xué)有限元中，預(yù)測了車內(nèi)聲學(xué)空間環(huán)境，得出了駕駛員左耳旁的聲壓級，并最終進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)車測試，通過對比仿真分析和測試結(jié)果可獲得以下結(jié)論。

（1）通過CFD仿真分析可以看出，在車外氣動(dòng)噪聲的聲壓級中低頻噪聲為主要聲源。

（2）通過對比實(shí)車測試結(jié)果，可看出在忽略實(shí)驗(yàn)與仿真的誤差的基礎(chǔ)上，CFD仿真分析的方法可有效的預(yù)測駕駛室內(nèi)的聲壓級水平，為后續(xù)后視鏡的優(yōu)化提供指導(dǎo)和驗(yàn)證。

（3）優(yōu)化后的整體式后視鏡氣動(dòng)噪聲性能優(yōu)于原車后視鏡。

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