尚 雷，董立強(qiáng)，徐文斌，周曉軍

（重慶金康賽力斯新能源汽車設(shè)計院有限公司，重慶 401147）

近年來，隨著汽車安全性能的逐步提高，乘客對汽車舒適性能的要求越來越高。消費(fèi)者曾經(jīng)對發(fā)動機(jī)噪聲、輪胎-路面噪聲的關(guān)注較多，但隨著這些噪聲得到有效控制，氣動噪聲對艙內(nèi)的影響越來越突出。而汽車風(fēng)振噪聲是氣動噪聲一個重要部分[1]。在汽車行駛時，開啟天窗會引發(fā)天窗風(fēng)振噪聲，這種頻率在20 Hz左右，聲壓在100 dB以上的壓力脈動，雖不易被人耳聽到，但會產(chǎn)生特別強(qiáng)烈的壓耳感，嚴(yán)重影響了乘員艙內(nèi)的舒適性能。因此，工程師越來越關(guān)注風(fēng)振噪聲問題，已逐漸成為汽車設(shè)計階段的常規(guī)分析項。

國外對汽車風(fēng)振噪聲的研究起步很早，但早期研究多借助風(fēng)洞試驗或?qū)嵻嚨缆吩囼瀃2]，往往發(fā)現(xiàn)問題較晚，發(fā)現(xiàn)風(fēng)振問題時已處于車型驗證的后期階段。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車風(fēng)振噪聲的二維及三維仿真技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于各主機(jī)廠的汽車開發(fā)過程中。

國內(nèi)對汽車風(fēng)振噪聲的研究起步相對較晚，2007年，湖南大學(xué)的谷正氣等[3]首次開始關(guān)注風(fēng)振噪聲的研究，對汽車風(fēng)振噪聲的CFD仿真研究做了一個總結(jié)，并歸納了CFD風(fēng)振仿真的一般步驟。隨后，該團(tuán)隊陸續(xù)開展了汽車天窗風(fēng)振的研究、側(cè)窗風(fēng)振的研究以及側(cè)風(fēng)下汽車風(fēng)振噪聲的研究與控制[4-7]。2017年，張全周等[8]在汽車開發(fā)設(shè)計前期進(jìn)行了汽車天窗風(fēng)振噪聲的二維仿真與減振措施的研究。隨后，在詳細(xì)設(shè)計階段，進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)據(jù)的三維風(fēng)振噪聲仿真與驗證。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)通過紗網(wǎng)氣流的速度和壓降，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線。然后根據(jù)所擬合的紗網(wǎng)阻力曲線和現(xiàn)有的汽車三維模型，對帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗進(jìn)行了風(fēng)振噪聲的仿真研究。在仿真研究中，首先做了來流速度掃略，即計算不同車速下的風(fēng)振噪聲值，以找到風(fēng)振問題最嚴(yán)重的車速，本文所研究車型風(fēng)振問題最嚴(yán)重時的車速為60 km/h。然后，在此車速下，針對所仿真的風(fēng)振問題進(jìn)行優(yōu)化分析，并著重進(jìn)行了紗網(wǎng)高度、天窗開度以及組合方案等方面的優(yōu)化。

1 數(shù)值仿真條件

1.1 多孔介質(zhì)阻力公式及阻力曲線

對于紗網(wǎng)的多孔介質(zhì)阻力，進(jìn)行了紗網(wǎng)的單體性能測試。根據(jù)單體測試所得的速度及壓降，結(jié)合多孔介質(zhì)阻力公式，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線，以下為多孔介質(zhì)阻力公式及紗網(wǎng)的阻力曲線。

多孔介質(zhì)阻力公式：

式中：v為通過介質(zhì)的表面速度，m/s；Pi，Pv為定義多孔阻力的系數(shù)，分別稱為慣性阻力和粘性阻力。

阻力系數(shù)可使用不同的經(jīng)驗關(guān)系，通過試驗進(jìn)行研究測量或衍生得到，這取決于問題的確切性質(zhì)。

根據(jù)以上多孔介質(zhì)阻力公式擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線，如圖1所示。

圖1 多孔介質(zhì)阻力曲線

1.2 計算模型及網(wǎng)格

天窗風(fēng)振噪聲的研究需要汽車外造型來準(zhǔn)確模擬汽車周圍的流場。由于天窗風(fēng)振主要是由于天窗開啟時，天窗前緣產(chǎn)生的脫落渦與乘員艙相互作用而引起的，因此，除了汽車外造型外，還需要汽車的內(nèi)飾模型、假人模型以及開啟狀態(tài)的天窗模型，天窗開度可根據(jù)情況而定。

汽車外部設(shè)置虛擬風(fēng)洞，虛擬風(fēng)洞長65 m，寬12 m，高24 m。其中車前約4倍車長，車后約8倍車長。汽車的輪輞和底盤做平板簡化處理，格柵做封閉處理，輪胎與地面做10 mm切割處理。

圖2 假人模型及壓力監(jiān)控點(diǎn)

計算模型的體網(wǎng)格選用切割體網(wǎng)格，在天窗周圍設(shè)置4 mm的加密區(qū)域，在車體周圍設(shè)置32 mm和64 mm的雙層加密區(qū)域。為準(zhǔn)確模擬車身表面附近的邊界層，設(shè)置了3層3 mm厚，增長率為1.2的邊界層網(wǎng)格。針對多孔介質(zhì)，單獨(dú)設(shè)置了表面尺寸為1～2 mm的網(wǎng)格模型。整個計算模型的體網(wǎng)格數(shù)量約為1 600萬個。

圖3 切割體網(wǎng)格

1.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

除了模型及網(wǎng)格設(shè)置之外，需進(jìn)行邊界條件及物理模型設(shè)置。邊界條件設(shè)置如下：

物理模型設(shè)置，首先設(shè)置穩(wěn)態(tài)仿真，采用Realizablek-ε模型進(jìn)行仿真，以穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為瞬態(tài)仿真的初始值。然后進(jìn)行瞬態(tài)仿真設(shè)置，由于存在多孔介質(zhì)設(shè)置，所以瞬態(tài)仿真選取DES湍流模型，時間步長選取0.002 s，內(nèi)迭代步數(shù)選取15，仿真時長為3 s。

表1 邊界條件設(shè)置

針對紗網(wǎng)設(shè)置多孔介質(zhì)域，根據(jù)前面已擬合的阻力曲線設(shè)置慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。

在前排乘客即主駕和副駕的左右耳分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，以便壓力數(shù)據(jù)的監(jiān)控及提取。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 仿真計算結(jié)果

以上模型和邊界設(shè)置完成后，針對基礎(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行了不同速度的天窗風(fēng)振仿真，仿真結(jié)果統(tǒng)計及頻譜曲線如表2和圖4所示。

表2 各速度風(fēng)振仿真結(jié)果

圖4 各速度風(fēng)振仿真結(jié)果

50 km/h工況聲壓級幅值接近100 dB，基本沒有風(fēng)振問題；60 km/h和70 km/h工況聲壓級幅值大于100 dB，存在風(fēng)振問題，60 km/h風(fēng)振問題較70 km/h大。后續(xù)主要針對60 km/h工況進(jìn)行風(fēng)噪問題分析。

2.2 仿真結(jié)果分析

為了研究天窗風(fēng)振噪聲的影響因素，對紗網(wǎng)的高度增加與未增加進(jìn)行了對比分析。紗網(wǎng)高度增加20 mm的具體方案和監(jiān)測點(diǎn)處的聲壓級頻譜如圖5～6所示。從頻譜圖中可以看出，紗網(wǎng)高度增加20 mm后，監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級峰值出現(xiàn)在16.9 Hz，峰值為101 dB，較基礎(chǔ)狀態(tài)60 km/h工況下的風(fēng)振噪聲值119.3 dB，下降了18 dB。說明紗網(wǎng)高度增加對降低風(fēng)振噪聲具有一定的效果，紗網(wǎng)高度為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。

圖5 紗網(wǎng)高度增加示意

圖6 紗網(wǎng)增高仿真結(jié)果

進(jìn)一步通過渦量云圖對紗網(wǎng)增高前后進(jìn)行了分析，如圖7所示。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，分離渦脫落撞擊天窗后緣，致使脫落渦破碎，破碎渦一部分飛到車外，另一部分進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，進(jìn)入車內(nèi)的渦使車內(nèi)壓力變化區(qū)間較大，是產(chǎn)生風(fēng)振的根本原因。從云圖中可以看出，基礎(chǔ)狀態(tài)進(jìn)入車內(nèi)的破碎渦量明顯強(qiáng)于紗網(wǎng)增高后進(jìn)入車內(nèi)的破碎渦量。

圖7 紗網(wǎng)增高前后渦量云圖

除了紗網(wǎng)高度，天窗開度同樣為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。在基礎(chǔ)狀態(tài)即原始開度的基礎(chǔ)上，分別分析了1/2開度、3/4開度以及1/2～3/4中間開度下的風(fēng)振噪聲。分析結(jié)果和監(jiān)測點(diǎn)處的聲壓級頻譜如表3和圖8所示。

表3 天窗各開度風(fēng)振仿真結(jié)果

圖8 天窗不同開度風(fēng)振仿真結(jié)果

從分析結(jié)果及頻譜曲線可以看出，1/2開度和1/2～3/4中間開度的聲壓級峰值分別為84.6 dB和92.1 dB，基本無風(fēng)振問題。3/4開度聲壓級峰值為112.5 dB，存在風(fēng)振問題，但較基礎(chǔ)狀態(tài)有6.5 dB的改善。此外，由分析結(jié)果可知，天窗全開→3/4開度→1/2～3/4中間開度→1/2開度，隨著天窗開度的減小，聲壓級峰值逐漸減小，風(fēng)振問題逐漸消失。

同樣通過渦量云圖對天窗不同開度的結(jié)果進(jìn)行了分析，如圖9所示。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著天窗開度的減小，分離渦脫落撞擊天窗后緣后，進(jìn)入駕駛艙內(nèi)的破碎渦逐漸減少，進(jìn)一步從風(fēng)振噪聲的機(jī)理上驗證了，天窗開度為影響天窗風(fēng)振噪聲的因素之一。

圖9 天窗不同開度渦量云圖對比

3 道路試驗驗證

由于本文所研究的車型仍處于數(shù)據(jù)設(shè)計階段，所以采用造型相近、天窗為同一廠家的同平臺車型樣車進(jìn)行道路試驗，對文中的仿真方法進(jìn)行驗證。

道路試驗條件盡量與仿真條件保持一致，車速為60 km/h，天窗保持全開，監(jiān)測點(diǎn)位置與仿真一致。試驗和仿真結(jié)果的對比如圖10所示

圖10 仿真與試驗結(jié)果對比

如上文所述，在車速60 km/h且天窗保持全開的狀態(tài)下，仿真結(jié)果的聲壓級峰值為119.3 dB，頻率為19 Hz。在同等條件下，同平臺樣車的測試結(jié)果的聲壓級峰值為125.6 dB，頻率為16.9 Hz。經(jīng)過仿真和試驗結(jié)果的聲壓級峰值對比分析可以得出，本文的仿真方法可用于車輛開發(fā)過程中風(fēng)振噪聲的研究與性能提升。

4 結(jié)論

本文就汽車開天窗時經(jīng)常出現(xiàn)的天窗風(fēng)振噪聲問題，利用紗網(wǎng)單體測試的速度與壓降，擬合出紗網(wǎng)的阻力曲線，對帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了仿真，同時研究了影響天窗風(fēng)振噪聲的因素。將仿真結(jié)果與道路試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，驗證了仿真方法的可行性。

對比紗網(wǎng)高度增加前后分析結(jié)果的聲壓級峰值發(fā)現(xiàn)，紗網(wǎng)高度增加20 mm后，聲壓級峰值降低了18 dB。對比渦量云圖可知，分離渦脫落撞擊天窗后緣，致使脫落渦破碎，破碎渦一部分飛到車外，另一部分進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，進(jìn)入車內(nèi)的渦是產(chǎn)生風(fēng)振的根本原因?；A(chǔ)狀態(tài)進(jìn)入車內(nèi)的破碎渦量明顯強(qiáng)于紗網(wǎng)增高后進(jìn)入車內(nèi)的破碎渦量。說明紗網(wǎng)高度增加對降低風(fēng)振噪聲具有一定的效果，紗網(wǎng)高度為影響風(fēng)振噪聲的因素之一。

在天窗全開狀態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了3/4開度、1/2～3/4中間開度、1/2開度的風(fēng)振噪聲仿真。仿真結(jié)果表明，隨著天窗開度的減小，聲壓級峰值逐漸減小，風(fēng)振問題逐漸消失。通過對云圖的分析可知，進(jìn)入乘員艙的破碎渦逐漸減少，與逐漸減小的聲壓級峰值相吻合。由此判斷天窗開度為影響天窗風(fēng)振噪聲的因素之一。

帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的天窗，經(jīng)過紗網(wǎng)對氣流的阻力和撞擊，通常情況下會很大程度地抑制天窗風(fēng)振噪聲。本文所研究的車型出現(xiàn)了較明顯的風(fēng)振噪聲，且紗網(wǎng)增高后風(fēng)振噪聲基本消失，初步懷疑是否由于天窗前后緣z向高度差過大所致。經(jīng)測量，該車型天窗前后緣高度差的確較大，下一步需證實上面的猜測，并進(jìn)一步研究此高度差、導(dǎo)流板高度與天窗風(fēng)振噪聲的相互關(guān)系。