汽车天窗噪声仿真研究

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SAE鄄C2009C170
2009 中国汽车工程学会年会论文集摇
汽车天窗噪声仿真研究
张鲲鹏摇 戴轶
上海汽车集团股份有限公司技术中心
摇 摇 揖 摘要铱 摇 基于大涡模拟( Large Eddy Simulation) 的气动噪声直接解法在求解汽车天窗气动噪声问题时具有很大的优势: 声学分析所需要的全部信息由计算流体力学( Computation Fluid Dynamics) 仿真得到; 不需要额外的声学模型; 计算可以反映 所有的物理现象, 包括反射、 共振、 衍射等; 计算体现了噪声和流场的相互作用, 有助于我们更深入地理解噪声的产生和传 播机理。 但是, 由于大涡模拟要求非常精细的网格, 而噪声问题本质上又是非定常问题, 这造成基于 LES 的直接解法所要 求的计算量极为庞大。 所以, 这种方法一直以来只是应用于研究领域, 而在工业设计中的实际应用还有困难。 近年来, 随着 高性能计算( High performance computation) 技术的发展, 特别是网格计算技术( computation grid network) 大大提高了现有资源 计算能力, 使得工业设计部门可以完成更大规模的数值计算。 本文中, 作者依托于上海超级计算中心的网格计算网络, 对汽 车天窗噪声进行直接数值模拟, 研究噪声水平、 峰值频率, 以及天窗布置位置对汽车乘员室内噪声的影响。 通过计算结果的 分析, 我们发现, 由于天窗破坏了汽车外流场的流态, 流场处于不稳定中, 天窗布置位置的变化会对乘员室内噪声水平产生 明显的影响。 在汽车设计初期进行气动噪声模拟计算, 找出天窗布置的最佳位置, 对于汽车 NVH 设计具有现实的意义。 本 文的工作还表明, 借助网格计算技术, LES 方法正在成为汽车气动噪声计算的有力工具。 随着工业部门计算能力的提高, LES 方法必将更多的应用于汽车气动计算领域中, 为我国汽车技术的进步做出贡献。
籽忆 = 籽-籽0
(3)
摇 摇 其中, 籽忆为密 度 的 波 动 量, 籽 为 当 地 密 度, 籽0 为 远 场
密度。
摇 摇 将方程(3) 代入方程(1)、 (2), 整理得到密度扰动的
Lighthill 波动方程:
鄣2 籽忆 鄣t2
-c20
鄣2 籽忆 = 鄣2 Tij 鄣xi鄣xi 鄣xi鄣xj
摇 摇 揖关键词铱摇 气动噪声摇 大涡模拟摇 网格计算
Simulation of Aero鄄acoustic of vehicle sunroof
Zhang Kunpeng DaiYi Automobile Engineering Institute of Shanghai Automobile Co Ltd.
引摇 摇 言
摇 摇 由于激烈的市场竞争, 汽车工业愈来愈重视提高轿车 的乘员舒适性问题。 而乘员室噪声水平过高会降低乘员舒 适性, 增加粗糙感, 降低轿车的整体品质。 所以, 汽车研 发机构总是付出巨大努力以降低乘员室的噪声水平。 近年 来, 随着科技进步, 由发动机、 传动链和车身造成的振动 噪声已经大大降低了, 而由于空气流动造成的气动噪声反 而越发凸显出来, 成为噪声控制的热点。 摇 摇 本质上说, 声音是人耳可以识别的空气扰动, 声波是在 空气中传播的压力波。 所以, 声学的基本原理与空气动力学 是紧密相关的。 事实上, 声学的基本方程, Lighthill 方程,
流模型的方法求解。 而在噪声产生的过程中, 大的涡团 往往扮演更加重要的角色。 正是由于大的涡团破碎, 产 生空气的压力波动变化, 形成了气动噪声的声源。 所以, 在气动噪声的计算中, 大涡模拟成为最主要的计算方法。 目前, 实用大涡模拟方法解决汽车气动噪声问题的情况 仍然主要局限于近场问题, 如进、 排气噪声, 气穴噪声、 扰流板 噪 声, HVAC 管 道 噪 声, 天 窗 噪 声 等。 此 外, 近 年来可分辨涡模拟( Detached Eddy Simulation) 方法的应用 例子也不断出现, 为气动噪声的 CFD 直接模拟提供了新 的选择。 另一方面, 由于计算机能力的限制, 直接求解 N鄄S 方程的方法( Direct Numerical Simulation, DNS) 现在仍 然无法在工程中实用。 摇 摇 随着我国汽车技术的发展和用户对舒适性的追求, 轿 车天窗变得越来越流行。 在一些中高级车的设计中, 天窗 甚至成为标准配置。 但是, 当一辆轿车以一定速度行驶时, 打开的天窗会造成额外的气动噪声, 噪声超过一定程度会 给车内乘员造成不适。 例如, 一辆轿车以 40km / h 的速度行 驶, 其天窗所产生的气动噪声峰值往往超过 100dB。 所以, 在为乘客提供天窗带来的舒适性的同时, 如何减小天窗气 动噪声的影响, 成为一个棘手的问题。 摇 摇 天窗气动噪声产生的基本原理是, 当车辆以一定的速 度运动时, 附着于车顶的高速气流在天窗开口处失稳, 产 生流动分离。 在开口前缘产生的涡团或者迅速破碎, 或者 撞在开口的后缘处破碎。 涡团的破碎导致空气的压力波动, 从而形成声源。 天窗噪声属于气穴噪声, 并且由于天窗噪 声的声源距离驾驶员头部很近, 是典型的近场问题, 所以 很适合基于大涡模拟的直接 CFD 方法求解。 摇 摇 在本文中, 作者依托于上海超级计算中心的网格计算 网络, 对某车型天窗噪声进行直接数值模拟, 研究了噪声 水平、 峰值频率, 以及天窗布置位置对汽车乘员室内噪声 的影响。 大涡模拟方法被用来捕捉噪声源及噪声的传播过 程。 计算结果表明, 在轿车设计的早期过程中, 这样的计 算具有特别的意义。 至少对于本文所研究的车型, 只需稍 微改动天窗的布置位置, 就有可能明显降低天窗的气动噪 声水平。 本文的工作也说明, 在汽车气动噪声计算中, 大 涡模拟方法已经成为有力的实用工具。
摇 摇 Abstract: The direct calculation method based on Large Eddy Simulation for aero鄄acoustics simulation of vehi鄄 cle sunroof has great advantage: all acoustic information gets directly from the CFD solution; no further acoustics models are needed; can account for all physical effects, such as reflection, resonance, scattering郾 郾 郾 But, very fine mesh and transient calculation induces large computational requirement for LES calculation. With rapid devel鄄 opment of high performance computers and computation grid network technology, many research institutions of auto鄄 motive industry are getting more and more computational power. In this paper, a numerical simulation of aero鄄a鄄 coustics sunroof concept design has been carried out. The high accurately compressible flow simulation with Large Eddy Simulation methodology has captured adequacy acoustic that layout of the sunroof has obvious influences the noise level of driver謘s cabin. This work also indicates that the Large Eddy Simulation methodology has being a prac鄄 tical tool in computational aero鄄acoustics, especially in near鄄flied case. 摇 摇 Key words: Aero鄄acoustic摇 Large Eddy Simulation摇 Computation Grid Network
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摇 摇 其中, Tij 为 Lighthill 湍 流 应 力 张 量, Tij = 籽ui uj + ( p忆 c20 籽忆) 啄ij -子ij 摇 摇 这样, 我们就从空气动力学出发, 得到声学控制方程。 这从理论上说明, 气动噪声问题完全可以在流体力学的框 架内解答。 摇 摇 目前, 汽车工业领域内进行气动噪声模拟的主要方法 是采用计算流体力学( CFD) 软件和计算声学软件( 如 SYS鄄 NOISE 和 ACTRAN) 的耦合计算的方法。 这种方法的主要思 想是: 首先, 利用计算流体仿真, 进行精确的可压缩瞬态 流动计算, 以找出气动噪声源的位置。 然后, 利用声学软 件计算噪声从声源传播到监测点的过程, 得到监测点的声 强、 频率等信息。 由于声学软件一般采用边界元法( Bound鄄 ary Element Methods) 或有限元法 ( Finite Element Methods) , 求解较为简单的波动方程, 因而具有较高的计算效率和不 错的计算精度。 摇 摇 采用这种流鄄声耦合计算方法的本质是将流场与噪声场 解耦求解。 由于声压强的波动量远远小于流场压强的波动 量, 声辐射的能量在流场的能量中只占很小的部分, 并且, 湍流模型引入的数值粘性很容易造成声压波的耗散, 所以, 在流场中捕捉声波的传播是非常困难的。 而流场与噪声场 解耦求解的方法单独求解声波的传播, 避免了庞大的计算 量和对数值方法的高精度要求, 使得很多噪声问题的求解 在工程上成为可能。 基于边界元( BEM) 或有限元( FEM) 的 方法, 对于振动噪声和气动噪声问题都可以求解。 一些重 要的物理现象, 如反射、 衍射、 散射、 过固壁传播等都可 以在计算中体现出来。 特别是对于远场问题, 解耦计算可 能是现在惟一可接受的计算方法。 并且由于声学软件仅求 解波动方程, 检测点或接受者的位置甚至可以在计算域之 外。 但耦合计算的缺点在于流场和声场是解耦计算的, 流 场和声场之间的相互影响机理被完全忽略掉了。 摇 摇 事实上, 一个高精度的瞬态流场计算已经可以提 供声学分析 需 要 的 所 有 信 息。 如 前 所 述, 在 CFD 框 架 内的直接求解法具有更好的理论基础, 所有的声学现 象, 如反射、 衍射、 折射, 以及流场与声场之间的相 互作用都可以考虑进来。 计算中不需要额外的声学模 型。 从声源到接受者之间所有感兴趣的波长的声学信 息都可以得到。 摇 摇 尽管采用 CFD 方法解决气动声学问题的理论基础在多 年前就确定了, 但这种方法的实际应用总是困难重重。 CFD 方法的主要挑战包括对于湍流的解析和瞬态可压缩流动计 算所带来的庞大的计算需求。 如果采用以雷诺时匀平均 (RANS) 为基础的方法解析湍流, 由于流场的物理量被时匀 平均化, 则不可能得到压力随时间变化的波动量, 而这些 信息对于声学分析是极为重要的。 近年来, 随着大涡模拟 方法的发展, 湍流瞬态求解变得越来越可信。 另一方面, 随着网格计算技术的发展, 大涡模拟瞬态计算的庞大计算 量的问题也在一定程度上得到了解决, 这样, 以大涡模拟 为基础的气动噪声直接解法正在成为工业领域求解近场问 题的实用工具。 摇 摇 大涡模拟 方 法 求 解 N鄄S 方 程 的 基 本 思 想 是: 大 的 涡 团在流动中主要负 责 传 递 能 量, 采 用 直 接 求 解 N鄄S 方 程 的方法求解; 小的涡团在流动中主要负责耗散, 采用湍