汽车空调出风管道气动噪声分析与控制

关键词：气动噪声；计算流体力学；大涡模拟；ＦＷＨ声学模型；直接边界元
中图分类号：Ｕ４６１．１
文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｎｏｉｓｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ＨＶＡＣ Ｄｕｃｔ
ＷＡＮＧ Ｙｉ—ｐｉｎ９１．ＧＵ Ｚｈｅｎｇ－ｑｉ¨－ＹＡＮＧ Ｘｕｅ２，ＬＩ Ｗｅｉ—ｐｉｎ９１，ＬＩＮ Ｘｉａｏ－ｈｕｉｌ－ＬＵ Ｋｅ－ｌｏｎ９１
图２ 空调系统风道模型 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＨＶＡＣ ｄｕｃｔ
３．１．２ 网格划分及边界条件设置 空调风道流场分析的网格模型如图３所示．由于
流体粘性的影响，管道内近壁面区会形成一层附面 层，因此，在近壁面区本文采用了３层精细的棱柱网 格来计算附面层的影响，计算模型网格共计２１０万． 分析工况为空调系统全负荷工作，计算边界条件如 下：１）进口边界条件为质量流量进口；２）出口边界条 件为压力出口．瞬态计算以稳态计算为初始值，稳态 计算采用ＲＮＧ湍流模型进行求解．在瞬态计算开始 时，定义好声源面，并输出声源数据．瞬态求解的总时 间设为２ ｓ，由于流场有一个起动到稳定的过程，在１ Ｓ时才开始记录．时间步长决定了能计算的最高频率， 而根据奈奎斯特采样定律，可还原的最高信号频率只
（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙４１００８２＃ ｚ．武汉军械士官学校，湖北武汉４３００７５）
摘 要：通过耦合ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）与专业声学代码ＳＹＳＮＯＩＳＥ
求解汽车空调管道气动噪声，即利用ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）湍流模型对空调管道的
第３７卷第３期 ２ ０ １ ０年３月
湖南大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
文章编号：１６７４—２９７４（２０１０１０３—００２４—０５
Ｖ０１．３７，Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２ ０ １ ０
汽车空调出风管道气动噪声分析与控制
汪怡平１，谷正气”，杨 雪２，李伟平１，林肖辉１，芦克龙１
万方数据
２６
பைடு நூலகம்
湖南大学学报（自然科学版）
广—］
匕型
通过ＦＦＴ 变换把数 据由时域 转换到频 域中
萎萎茎耋ｋ妊 气动噪声Ｉ亡：Ｘ声场分布
源数据 ｌ
’＼
图１分析流程图 Ｆｉｇ．Ｉ Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ
有采样频率的一半．气动噪声是宽频带噪声且能量主 要集中在中低频，因此本次计算的最高频率设定为 １ ０００ Ｈｚ，对应的时间步长为０．０００ ５ ｓ．因此总步数 为２ ０００步，每时间步２０次迭代． ３．１．３仿真结果分析
为使控制方程封闭，当前，采用较多的亚格子模 型是涡旋粘性模型
％一号硌艿。＝一２肫ｓ口．
（３）
式中：艿。，为克罗内克系数；／ｌ，为亚格子湍流粘性系 数；Ｓ。，是求解尺度下的应变率张量分量．
１．２ ＦＷ－Ｈ方程
１９６９年Ｗｉｌｌｉａｍｓ等利用Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ的声学近似 理论推导出了适合流体中运动固体边界条件的 ＦＷ—Ｈ方程［９］≯
（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ－Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ·Ｈｕｎａｎ ． ４１００８２．Ｃｈｉｎａ；２．Ｗｕｈａｎ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｎｏｎｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｅｄ Ｏｆｆｉｃｅｒｓ Ｓｃｈｏｏｌ。Ｗｕｈａｎ．Ｈｕｂｅｉ ４３００７５．Ｃｈｉｎａ）
ｈｏｌｔｚ方程的基本解，可得到用单层势』９（Ｘ）和双层
驴（Ｘ）表示的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ间接边界积分方程：
则）＝舭ｘ）鼍竽一ｆｌ（Ｘ）Ｇ（Ｘ，Ｙ）］ｄＳ．
（６）
利用边界元对式（６）进行离散，可得间接边界元 声学计算方程：
『．Ｂ ｃ１”］一『，］．
（７）
Ｌｃ Ｄ Ｊ岫Ｊ ＬｇＪ
式中：Ｂ，ｃ和Ｄ为系数矩阵；仃为声学边界表面的速
Ｆｉｇ．４
图４管道内部截面静压图 Ｓｔａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎｓ
图５为风道内的流线图，在风道的转向部位存 在明显的涡流区．这是由于该部位气流速度较大，在 其后部发生气体分离引起的，并产生负压区，而且中 间风道的转向部位正对着进口的高速气流，进而对 气流产生阻滞形成局部高压，也会使噪声增加．
作者简介：汪怡平（１９８４一），男，湖南衡阳人，湖南大学博士研究生 ｔ通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｚｈｅｎｇｑｉ６３＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｌｌ
万方数据
第３期
汪怡平等：汽车空调出风管道气动噪声分析与控制
２５
ＨＶＡＣ（Ｈｅａｔｉｎｇ。Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ—
ｉｎｇ）系统就是主要的车内噪声源．而气动噪声是 ＨＶＡＣ系统的主要声源．在设计阶段就预测 ＨＶＡＣ系统的气动噪声，可大大降低汽车的开发成 本与风险．随着计算流体力学与气动声学的发展，用 数值方法研究流场辐射噪声成为可能．１９９２年 ＩＣＡＳＥ与ＮＡＳＡ联合主办的一个讨论班确立了气动 声学新分支——ＣＡＡ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏａｃｏｕｓ－ ｔｉｃｓ）［１］．ＣＡＡ使用的数值方法与传统的ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕ－ ｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃ）方法有紧密的联系，特别是声 场近场计算有很多是基于ＣＦＤ的．使用基于ＣＦＤ的 ＣＡＡ方法模拟汽车气动噪声主要包括４种方式，即 直接模拟、基于声类比的积分法、宽频带噪声源模型 法、耦合ＣＦＤ与专业声学代码［２－７］．本文采用ＬＥＳ （Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）计算出空调管道的瞬态流 场，得到流场变量如压力、速度分量、声源表面声场密 度等参数的时域精确解，然后把数据导入声学分析软 件ＳＹＳＮ（）ＩＳＥ中，通过Ｈ可（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｎｌ） 变换把时域数据转换到频域中，并利用ＦＷ－Ｈ声学模 型得到表面声源数据．利用直接边界元内外耦合分析 了管道外声场．根据流场分析与声场分析结果对空调 管道的结构提出了两种改型方案，并对改型前后的空 调系统噪声进行了测试．测试结果表明相比原始空调 系统，两种方案都能有效降低噪声且方案二效果更 好，尤其是大大降低了驾驶员附近的噪声，最大降幅 达４．５ ｄＢ．
（去翥一差）产≤ｔＬＨ ｃ川一
杀［厅。Ｐ艿（厂）Ｖ力＋丢［∥。３（ｆ）Ｖｆ］． （４）
式中：∥为声压；ｎ。为表面法向量；％为法向速度；ａ。 为声速；Ｔｌ，为Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ张量．方程右侧３项分别代
表四极子、偶极子和单极子． 在汽车空调管道气动噪声分析中，空调管道内
表面可看作是刚性的，所以单极子源噪声可近似为
＊ 收稿日期：２００９－０４－０１ 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００７ＡＡ０４２１２２）；湖南省科技计划重点项目（０６ＦＪ２００１）｝教育部长江学者 与创新团队发展计划资助项目（５３１１０５０５００３７）；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题资助项目
（６０８７０００１）
１ 耦合ＣＦＤ与专业声学代码进行气动噪声 求解的相关理论
１．１ ＬＥＳ计算瞬态外流场 将Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程在物理空间进行过滤，得
到不可压缩流体ＬＥＳ控制方程嗍：
瓦３（∥ｉ）＋去（１０Ｈ彤）＝
一罄＋者ｃＰ差，一鲁，
（１）
雾＋矗（肚）＿０．
（２）
式中：』Ｄ为流体密度；Ｈｉ和Ｈ，为过滤后的速度分量；／ｚ 为湍流粘性系数；ｂ为亚格子尺度应力．
零，空调管道内气流速度低，四极子源噪声远小于偶 极子源噪声［引，可忽略不计，因此对于汽车空调管道
气动噪声的研究主要是针对偶极子源噪声的特性．
１．３直接边界元法求解噪声传播
简谐激励作用下结构振动在外部流体中产生的
辐射声压Ｐ满足Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程：
Ｖ２户＋愚２ｐ＝０．
（５）
利用格林函数和相应的声学边界条件及Ｈｅｌｍ－
瞬态流场进行求解获得噪声源项，然后将噪声源项作为边界条件导入ＳＹＳＮＯＩＳＥ来计算噪
声的传播．根据流场分析与声场分析结果对空调管道的结构提出了两种改型方案，并对改型
前后的空调系统噪声进行了测试．测试结果表明相比原始空调系统，两种方案都能有效降低
噪声且方案二效果更好，驾驶员附近的噪声最大降幅达４．５ ｄＢ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｎｏｉｓｅ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｌａｒｇｅ ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）； ＦＷ—Ｈ ｍｏｄｅｌ；ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＢＥＭ）
汽车的车内噪声级已成为重要的舒适性评价指 标．在平直路面低速行驶工况下，某些汽车的
Ｆｉｇ．５
图５ 管道内部的流线图 Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎｓ
为了验证流场结果计算的准确性，测试了４个
出口的质量流量，结果见表１．
Ｔａｂ．１
表１ 出口流量实验值与计算值对比 Ｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｌｕｘ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
度脉动向量；ｐ为声学边界表面的压力脉动向量；ｆ
和ｇ为激励向量．
求得边界单元各节点处的盯和ｐ后，外场的辐 射声压Ｐ。可用插值法求得：
Ｐｏ一口１Ｐ６＋６Ｔｎ６．
（８）
式中：ａ，ｂ为插值系数矩阵；Ｐ。为边界节点声压；‰
为边界节点法向速度向量．
２计算分析流程
本文采用商用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ耦合专业声学 代码ＳＹＳＮＯＩＳＥ对管道的外部声场进行求解．分析 流场图如图１所示．
图４为非定常计算得到的管道内部一系列截面 上的静压图，从图中可以看出，在空调风道的局部区 域，压力变化非常剧烈，存在明显的高压和低压区， 高、低压区对整个风道的速度、压力及风量造成很大 的影响，导致很大能量损失，噪声也增加了．