汽车气动噪声的数值仿真与研究

摘 要：对小车模型进行仿真共分为三个阶段：稳态计算阶段、稳态噪声阶段以及瞬态计算阶段。通过数值计算得出结论：网格疏密程度对噪声结果产生影响；迎风区域受到的压力数值最大，而噪声数值较大的区域往往发生在形状变形的位置处，例如A柱、后视镜以及位置处。

关键词：数值计算；稳态流场；气动噪声；分离涡模拟

1 前言

在高速运行下，气动噪声成为了主要噪声来源。数据表明[1]，当汽车行驶速度每提升10km/h，声压级增加约2.5dB，突变位置处激发的气动噪声大致与速度的六次方成正比。

采用数值模拟研究汽车气动噪声经历了一个过程[2]，1999年Leep提出了简化的汽车模型。2003年Bipin Lokhande模拟无限大的计算区域。2004年Murad对简单倾角的A柱模型结构进行数值仿真。2005年Vedy采用CAA方法对汽车后视镜模型进行数值仿真。2010年同济大学采取DES、RANS和LES组合方法研究汽车后视镜影响下的流场分布。2013年Christoph Reichl分别采用四面体、六面体网格进行数值仿真。本文采取数值模拟方法对车身模型进行声学研究分析。

2 整车气动噪声特性分析

本节以整车为例，初步了解汽车的气动噪声特性，分别从流动和气动噪声的角度分析整车的气动特性，总结汽车外形对于气动噪声的影响规律。

2.1 整车模型与计算域

本次数值计算采用简化轿车模型，将后视镜部件进行省略。模型按照1：1比例进行建模，车长为3588mm，车身高度为1527mm。

整车模型放置在长方体的虚拟风洞中，车身前部计算域长度选取为14457mm，车身后部计算域长度选取为37026mm，车顶上部计算域长度为13705mm，车身旁横向计算域长度为5251mm。由于小车左右两部分可以近似认为对称的，所以对小车进行简化处理，即将计算域以及小车模型從中间对称线平均分开成左右两部分，数值计算时仅对其中一部分进行计算。

2.2 网格划分

计算区域内选用非结构的四面体网格。远离模型区域选用较稀疏的网格，靠近模型区域选用较稠密的网格，确保体网格分布呈渐变趋势。初始体网格设定中，采用三层加密区域，其中网格大小分别为200mm、100mm以及50mm，面网格数目为77490，体网格数目为553403。

2.3 参数设定

2.3.1 边界条件设置

边界条件设定中，入口设置为速度入口，采用均匀来流，入口速度取55.56m/s；出口设置为压力出口。

2.3.2 物理模型设置

计算初始阶段选用稳态模型进行数值计算，待数值结果定常之后，选用声学模型参数，将稳态声学定常结果带入到瞬态模型进行数值计算。在稳态流场计算时，物理参数分别设定为稳态、气体介质、分离流动、恒定密度、湍流、RANS模型、K-W湍流模型、网格质量修复；声学稳态阶段中，物理模型添加噪声模型、宽频噪声源以及普拉德曼模型参数；瞬态计算阶段中，物理模型设定为气体介质、分离涡模型、恒定密度、瞬态模型、湍流模型、大涡模拟（DES）以及K-W分离涡模型。

2.4 数值计算

2.4.1 稳态计算

流场稳态计算阶段，待计算定常之后，得到车体速度流线以及压力云图。风洞中来流空气碰到汽车保险杠受阻，气流在此形成正压区，之后发生气流分离，一部分流向车顶，另一部分流向底部，流速增大，压力逐渐降低；气流在流经车头上缘时，气流发生局部分离，将导致这一区域压力脉动增强。随后又重新附着在汽车头部，气流在发动机罩上的流速很快，流向前挡风玻璃时，受到阻挡，流速降低，压力增加。在挡风玻璃前缘气流发生分离，流向前挡风玻璃时，受到阻挡，流速降低，压力增加。在挡风玻璃前缘气流发生分离，致使在挡风玻璃的下缘产生分离区，形成涡流，涡流会导致压力脉动明显增强。随后气流在前挡风玻璃的上缘重新开始附着；当气流达到汽车顶部时，顶部造型使得气流流速加快，压力降低，在这一区域形成低压区；随后气流通过车顶继续向后流动，流速有一定的降低。

2.4.2 声学稳态计算

流场稳态计算定常后，对整车模型进行声学稳态计算。为提高噪声频率值结果，需要对模型区域网格进行加密，加密区域网格密度为1mm，噪声频率数值大幅度提升，最大数值可以达到4000Hz。

2.4.3 声学瞬态计算

为进一步验证网格疏密程度对噪声结果的影响，分别在加密区域左右两部分各添加一个监控点，并在计算定常之后输出监控点声压值。

监控点1位于非加密区域，监控点2位于网格加密区域中。

从图中可以看出，两个监控点的声压值在低压区域内几乎持平，但在超过600Hz的数值之后，两点的声压值逐渐出现区别，说明网格疏密程度对于声压值的准确性产生很大的影响。本文中提取瞬态计算时间的0.3s时压力云图，如下所示。

从瞬态压力云图可以观察到，小车模型的最前端所承受的压力数值最大，随着位置的不断后移，车身所承受的压力数值也不断减小。因此可以得出结论，迎风的车体部分所承受的压力最大，其余部分相应减少，该结论与之前的稳态计算结论相一致。

3.结论

本文分别对简化版小车模型的数值仿真，得出如下结论：

（1）本文展示了气动噪声的数值计算方法，该数值方法总共分为三个计算阶段：稳态计算阶段、稳态噪声阶段以及瞬态计算阶段。车体附近的网格疏密程度对噪声计算的准确性产生重要影响。

（2）气动噪声出现在汽车头部上方、前后挡风玻璃、车顶、A柱以及轮胎部分位置。当气流在流经这些车体突出区域时，气流发生局部分离，将导致这一区域压力脉动增强，形成主要的噪声源。

（3）在设计车体外形时应尽量减少车体的突变区域，减少气流局部分离情况的发生，从而减少气动风噪的作用。

参考文献

[1] Buchheim R，Dobrzynski W，and Mankau H，et al.Vehicle Interior Noise Related to External Aerodynamics.International Journal of Vehicle Design，1982，3（4）：398-410

[2] 黄丽那.轿车后视镜区域非定常压力场与气动噪声研究：[硕士学位论文].吉林大学，2004

（作者单位：中国汽车技术研究中心）