1_ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享

气动噪声
噪声源：由流动造成的瞬态压力脉动
声音：压力波在介质中的传播
噪声传播介质
Sound 流动
接收位置
噪声源
气动噪声
噪声源的种类：
• 单极子噪声源：起因于来流的质量脉动，其声功率与流场平均流速的4次方成比例 • 偶极子噪声源：起因于作用在表面上的压力脉动，其声功率与流场平均速度的6次方成比例 • 四极子噪声源：起因于湍流的剪切应力，其声功率与流场平均速度的8次方成比例
ANSYS CFD在汽车外空气动力学及气动噪声领域的应用和案例分享
演讲人：崔亮
目录
1、ANSYS CFD在汽车外空气动力学领域的应用 2、ANSYS CFD在汽车外空气动力学领域的案例分享 3、ANSYS CFD在汽车气动噪声领域的应用 4、ANSYS CFD在汽车气动噪声领域的案例分享
目录
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关键问题
1. 燃油消耗率 2. 冷却气流和阻力的权衡
汽车高速运行时， 克服气动阻力所需 的燃油消耗占主导
冷却气流和阻力的权衡
关键问题
3. 泥、水附着 4. 车辆涉水
如何最小化附着？
如何防止水飞溅到风挡或 侧窗玻璃上？
CFD的优势
1. 成本，速度
CFD仿真：低成本，速度快
风洞试验：高成本，速度慢
源，通过求解波动方程得到解析解，这样就把流动求解过程从声学分析中分离出来。
CFD Domain Receiver
Sound Propagation
p’(t)
Source (1) 计算源 (2) 计算传播 (3) 后处理声音信号(FFT)
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• FW-H方法的优点：
• 宽频噪声模型的优点：
• 计算代价最小 • 稳态的RANS方法
• 宽频噪声模型的缺点
• 计算精度低 • 无法计算出准确的噪声量级
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• 三种气动噪声模拟方法在不同设计阶段的应用
设计空间
最终设计
手工经验计算
宽频噪声模型
详细的 CAA/SSPM分析 以及试验
精度和花费增加
噪声的主要来源之一。
• 风速200 km/h，雷诺数 7 105 • 140万纯六面体网格
Pressure Far-Field Walls
• 时间步长60 ms，总时间步2100
Velocity Inlet
Symmetry
侧后视镜的噪声分析案例
• 直接计算法和噪声比拟方法的计算结果 110
Point 101
单极子
Flow Flow
偶极子
Flow
四极子
m = m(t)
psurface = psurface(t)
t
= t(t)
气动噪声的仿真挑战
• 气动噪声问题本质上是瞬态问题
计算量大
• 噪声辐射能仅占主流能量的极少部分
噪声的压力脉动幅值和气动压力相比极小 声压级=80 dB，声压=0.2 Pa，背景压力=101325 Pa
CFD的优势
2. 深入理解
• • 整个流场的可视性 更好的设计决策
CFD的优势
3. 权衡研究
• 冷却气流和气动阻力的权衡
增加或减少格栅 进气量会如何影响 气动阻力？
CFD的优势
4. 设计探索
• • 参数化研究 试验设计（DOE）
•
六西格玛
CFD的优势
5. 优化
• • 伴随求解器（Adjoint Solver） 外形敏感度，变量梯度驱动的外形改变
用的诊断信息来快速确定流动中的哪一部分对噪声影响最大。然而，这些源项模型不
能预测接收位置的准确噪声量级。 • Broadband模型不需要瞬态流动解，所有的源项模型只需要典型的RANS方程解，比 如实际速度场、湍动能和湍流耗散率。因此宽频噪声模型需要最小的计算代价。
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
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侧后视镜的噪声分析案例
• 侧后视镜造成的高强度湍流和瞬态的绕流尾迹，带来了瞬态的压力脉动，是风
• 计算代价较小 • • 计算域只覆盖噪声源的区域 适用于远场计算
• FW-H方法的缺点
• • • 无法考虑声音对流动的反作用 无法考虑反射 从源到接收位置之间需要有直的视线（无遮挡）
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Broadband Noise Source Models • 在ANSYS Fluent的宽频噪声模型中，湍流参数通过RANS方程求出，再用一定的半经 验修正模型（如Proudman方程模型、 边界层噪声源模型、 线性Euler方程源项模型、 Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。 • Broadband模型是CAA和“声比拟”方法的很好补充，可以采用宽频噪声模型提取有
基于RBF Morph的优化案例
• 原车受到的气动阻力为388.01 N，经过优化分析后的气动阻力为372.30
N，降低了约4%的气动阻力。
原车
优化后
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基于RBF Morph的优化案例
• 计算网格
• 使用FLUENT Meshing生成约5000万混合网格，共计10层边界层网格
• 计算条件
• 速度：100 kph • 压力基耦合求解器，对流项使用二阶迎风差分格式 • Realizable K-epsilon湍流模型，非平衡壁面函数
基于RBF Morph的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
优化目标：阻力降低
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于伴随求解器和网格变形的优化案例
基于RBF Morph的优化案例
• Volvo公司使用ANSYS Fluent、HPC、RBF Morph和DesignXplorer， 实现了对XC60车型的空气动力学性能优化仿真。
p’(t) Propagation
Sound Source
Computational Domain
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• CAA方法的优点：
• 实现起来比较简单 • • 同时求解声音的产生和传播
可以考虑流动和声音的耦合 • 适用于声音对流动有反作用的场合
• CAA方法的缺点
• 关心的频率范围很广
从20 Hz到20000 Hz 需要很小的瞬态计算时间步长，很细密的网格尺度
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Computational Aeroacoustics(CAA) • CAA方法通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和传播现象。 • CAA方法需要ANSYS Fluent通过求解非稳态N-S方程（如DNS）、非稳态雷诺平均 RANS方程以及在分离涡DES和大涡LES模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和 湍流效应。 Receiver
优化设计 运行Fluent CFD求解器
局部 最优 局部优化 x0 x 1 x2
全局 最优 x4 x3
x5
qi c j
运行 Adjoint solver
Adjoint后处理
ANSYS CFD解决方案
• 通过后处理，对仿真结果的理解更加全面
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• 使用RBF Morph，实现对原车外形的参数化变形，共定义了4个参数化变 量，各变量的可变范围如下。
车尾两 侧角度
车顶后段 下倾角度
座舱后 部角度
前端扰流 板角度
基于RBF Morph的优化案例
• 使用DesignXplorer，定义设计空间，对4个参数化变量进行寻优。
Design Space Bounds Parameter
• 试验结果对比
Side View
SPL (dB)
90
Experimental CFD - CAA CFD - AA
70
50
30
Pt 101 Top View 接收位置
10 0 500 1000 Frequency (Hz) 1500 2000
试验数据来源：Hold et al. (AIAA-99-1896)；Seigert et al. (AIAA-99-1895)
这些导数/敏感性可以用来：
提供极有价值的工程角度的深入了解 优化系统性能 发现流体中由于离散误差而潜在地带来强烈影响的区域
形状敏感性带来几何优化的能力
Adjoint Solver的求解结果得到后，即可基于简单的梯度算法，对系统 进行智能的设计改进，从而实现设计优化。
A来自百度文库SYS CFD解决方案
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
计算网格
激活宽频噪声模型
基于宽频噪声模型的整车气动噪声分析案例
偶极子噪声源
四极子噪声源对总噪声源的影响
谢谢！
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• • 瞬态计算需要使用很小的时间步长，计算很长的物理时间 非常细密的网格，网格数量十分庞大
•
•
多用于近场噪声计算，远场噪声计算需要较大的计算域，计算量陡增
由于声压级远小于流体的压力，需要使用高精度的离散格式
ANSYS FLUENT中的气动噪声模拟方法
• Segregated Source-Propagation Methods (SSPM) • 对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent采用基于Lighthill的“噪声比拟”方法，作 为CAA方法的补充是ANSYS Fluent中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不 同于CAA方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程 比如非定常雷诺平均、DES分离涡或LES大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声
CAD设计更改 网格划分
如果设计点很多 非常耗时！
计算求解
ANSYS CFD解决方案
使用网格变形的优化过程
清理几何，划分网 格，只需进行一次
如果设计点很 多，网格变形仅 需很短的时间
ANSYS CFD解决方案
Adjoint Solver（伴随求解器）是Fluent中的一个专用工具，它扩展了 传统流体求解器的分析范畴，能够提供一个流体系统详细的性能敏感性 数据。 它可以用来计算一个工程数据相对于所有系统输入的导数。
ANSYS CFD解决方案
高精度的湍流模型 自动化、大规模、高质量的网格工具 Model Drag (SCx) DES Exp. 0.70 DDES 0.71 DDES DES 0.75 LES 0.69
接近线性的并行加速比 支持超过一万核的并行
ANSYS CFD解决方案
不使用网格变形的优化过程
Boat tail angle Long roof drop angle Green House Angle Front Spoiler Angle
Min
- 1.85 - 2.30 - 0.70
Baseline
0.0 0.0 0.0 0.0
Max
+ 1.85 + 1.50 + 0.70 + 3.80