乘用车风噪声模拟研究

乘用车风噪声模拟研究
杨万里 李明江 刘国庆
(奇瑞汽车有限公司 博士后工作站 , 安徽 芜湖 241009)
摘要 : 对某乘用车风噪声进行了模拟研究. 首先 ,采用大涡模拟模型 (L ES) 计算了乘用车的瞬态外流场 ,然 后 ,应用 Light hill2Curle 声学模拟理论 ,以后视镜及 A 柱区域为噪声源 ,预测了车外场点的噪声特性 ,模拟值与 测量值在高频范围内比较符合. 根据流场和声学模拟结果 ,分析了后视镜的声学缺陷. 通过取消原后视镜上的 凹槽 ,增加后视镜与 A 柱之间的连接距离 ,减小后视镜迎风面积和构形等手段 ,对后视镜的声学敏感区域进 行了修改. 最后 ,对修改后的模型进行了噪声测量 ,试验结果显示 ,模型修改后风噪声有显著降低. 关 键 词 : 计算流体动力学 ; 大涡模拟 ; 风噪声 ; 乘用车 中图分类号 : U467. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 (2005) 1120077203
1. 3 气动噪声分析有限元模型
图 1 为整车瞬态外流场分析的二维网格 , 由
于后视镜及 A 柱对风噪声的影响最大 ,因此 ,在 后视镜及 A 柱处使用了精细的网格. 图 2 显示了 后视镜及 A 柱附近区域网格的放大模型. 二维网 格生成后 ,生成三维网格. 为了保证单元质量 ,在 车身表面及部分路面 ,生成了精细的附面层网格.
241009 , Anhui China.
汽车辐射噪声可分为三类 ,即动力系统噪声 、 轮胎噪声及风噪声[1 ] . 当汽车高速行驶时 ( 大于 100 km/ h) ,风噪声成为最主要的噪声源 ,理论研 究表明 ,风噪声与巡航速度的 6 次方成正比 (马赫 数 < 1) ,而其他噪声与巡航速度的 1～3 次方成正 比. 因此 ,对乘用车来说 ,降低风噪声 ,以便降低其 通过噪声及车内噪声 ,已经成为乘用车振动 、噪声 研究的最重要内容.
拟 :a. 采用大涡模拟模型 (L ES) 计算乘用车的瞬 态外流场 ;b. 采用 Lightill2Curle 方程[2 ]计算噪声 的传播过程. 1. 1 大涡模拟控制方程
将纳维2斯托克斯方程在物理空间进行过滤 , 得到不可压缩流体 L ES 控制方程
5ρ/ 5 t + 5ρui/ 5 x i = 0 ,
量守恒方程和纳维2斯托克斯动量方程 ,得到声传
播方程 :
52ρ 5 t2
-
a20
Δ
ρ2 =
5
52 xi5
xτj ij
;
τij = ρui uj + γij - a20ρδij ,
式中 a0 为声速. 如果噪声产生于固体表面 ,那么 ,
可以得到 Curle 声传播方程
ρ′( X , t) = ρ( X , t) - ρ0 = [ 1/ (4πa20) ] ·
乘用车风噪声与乘用车外形 、巡航速度 、风 向 、大气特性等有关. 在所有的影响因素中 ,车的 形状 ,特别是后视镜和 A 柱附近的形状 ,对整车
的噪声影响最大 ,分析后视镜和 A 柱的空气动力 学特性 ,是降低风噪声的重要途径.
本研究采用大涡模拟 (L ES) 方法计算出乘用 车的 瞬 态 外 流 场 , 在 此 基 础 上 , 采 用 Light hill2 Curle 声学理论 ,分析了后视镜和 A 柱的流场特 性 ,进行了噪声预测和声学结构改进. 分析结果对 降低乘用车噪声具有重要指导意义.
2 模拟结果分析
2. 1 流场分析 图 3 给出了后视镜与车身连接区域表面压力
分布情况 ,从压力分布可以看出 ,该表面区域压力 变化非常剧烈 ,压力梯度变化大 ,有可能产生逆压 梯度区 ,从而导致流动分离.
分析结果显示 :在后视镜的迎风面区域 ,出现 流体分离现象并产生了涡旋. 同时 ,在后视镜的凹 槽和后视镜的背风面区域 ,也出现流体分离现象.
第 33 卷 第 11 期 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) Vol. 33 No. 11 2005 年 11 月 J . Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Nature Science Edition) Nov. 2005
1 气动噪声分析理论及模型
分两阶段完成某乘用车后视镜气动噪声的模
收稿日期 : 2004212221. 作者简介 : 杨万里 (19692) ,男 ,博士 ;芜湖 ,奇瑞汽车有限公司博士后工作站 (241009) . E2mail : yangwanli @263. net
78 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) 第 33 卷
模型是涡旋粘性模型
τij - τkkδij/ 3 = - 2μtS ij ,
式中 : δij为克罗内克系数 ;μt 为亚格子湍流粘性 系数 ; S ij是求解尺度下的应变率张量分量 , 定义 为
S ij = (1/ 2) (5 ui/ 5 x j + 5 uj/ 5 x i) .
1. 2 气动声学理论
Wind noise simulation of passenger car
Y ang W anli L i M i n gjiang L i u Guoqi ng Abstract : The wind and tyre2road noises are t he main noise source under t he middle and high velocity. Large eddy simulation (L ES) was applied to calculate t he t ransient external flow field , t hen t he Light hill2 Curle acoustic t heory was used to predict t he wind noise level. For example , t he rearview mirror and a f ront pillar of some passenger car were sellected as t he noise source and t he noise radiated form t hem was simulat2 ed. The computed result s agreeded well wit h t he experimental data. The acoustic defect s were analyzed ac2 cording to t he fluid and acoustic simulation result s. The mirror was improved by t he removal of t he groove , increasing t he connecting distance between t he mirror and t he f ront pillar , decreasing t he area of t he wind2 ward side and so on. At last , t he wind noise of t he improved passenger car was measured. The experiment showed t hat t he noise level was greatly decreased. Key words : computational fluid dynamics(CFD) ; Large eddy simulation (L ES) ; wind noise ; passenger car Yang Wanl i Dr. , Post doctoral Scientific Research Working Station , Chery Automobile Co . Lt d. , Wuhu
∫ 52
5 xi5 xj
τij ( y , t -
V
R
R/ a0) d V ( y)
+
∫ 5
5 xi
lj ( y , t - R/ a0) d S ( y)
S
R
,
式中 :ρ0 为平均密度 ; X 为声学观察点位置向量 ;
y 为声源点位置坐标 ; R = | X - y | ; lj 为固体边
界的单元法向量 ; t 为当前测量时间.
图 4 显示了后视镜及 A 柱区域生成的涡旋 : 沿 A 柱产生了强烈的涡旋 ,同时 ,在后视镜背面 也有大涡旋产生.
从后视镜2A 柱表面流动速度及涡旋可知 , 应 采取以下措施来降低该区域的气动噪声 :a. 改变 后视镜与车身连接区域的构形 ,控制表面上的压 强梯度 ,从而尽量缩小分离区 ,如采用细长的流线 型物面 (增加后视镜与车身之间的连接距离 ,改善 连接区域的构形等) ; b. 减少后视镜与车身连接 区域的迎风面积并改善迎风面的构形 ;c. 取消后 视镜上的凹槽. 2. 2 计算与测量场点声压频谱
根据模拟结果 ,对后视镜进行了如下结构修 改 :取消原后视镜上的凹槽 ; 增加后视镜与 A 柱 之间的连接距离 ;减小后视镜迎风面积和构形等. 图 7 给出了后视镜模型修改前后 ,A 点噪声的测 量值. 从图中可以看出 ,结构改进后 ,在所有频率 下 ,A 点的噪声值都有了显著的降低.
3 结论
a. 采用大涡模拟方法和 Light hill2Curle 声学 模拟理论分析了某乘用车后视镜2A 柱的风噪声 , 该方法提高了气动噪声的分析精度 ,缩小了分析 规模 ,使乘用车风噪声预测成为可能 ;
件如下 :风速 3 m/ s ;温度 14 ℃;天气晴 ;车速 120 km/ h.
图 5 噪声测量点位置
图 6 给出了 A 点计算及测量频谱的分布情 况 ,频率范围为 400～6 400 Hz ,其中 Φ 表示噪声 值.
从图 6 中可以看出 ,在 400～2 000 Hz 范围 内 ,由于测量点的噪声源为整个汽车 ,其他声源产 生的噪声覆盖了后视镜2A 柱区域的风噪声 , 因 此 ,测量值比计算值要高出很多 ;在 2 000～6 400 Hz 的高频范围内 ,风噪声占主要成分 ,因此 ,测量 值与计算值比较符合. 从图中还了解到 ,风噪声是 宽频带噪声 ,并且 ,人的听觉对 2 000～6 400 Hz 的噪声最敏感 ,因此 ,减少后视镜2A 柱风噪声非 常重要.
55t (ρui)
+
5 5 xj
(ρui u j)
=
5 μ5 ui 5 xj 5 xj
-
5p 5 xi
-
5τij 5 xj
,
式中 :ρ为流体密度 ; ui 和 uj 为过滤后的速度分 量 ;μ为湍流粘性系数 ;τij为亚格子应力分量 ,
τij = ρui uj - ρui uj .
为使控制方程封闭 ,当前 ,采用较多的亚格子
气动噪声生成于流体 ,应力张量
γij = - σij + δij p ,
(1)
式中 γij为应力张量分量 ; p 为流场的静压力 ;σij
为粘性应力张量分量 ,
σij=μFra bibliotek5 ui 5 xj
+
5 5
uj xi
-
2 3
5 5
ui xi
δij
,
(2)
式中 ui 和 uj 为速度分量. 将式 ( 1) 和 ( 2) 代入质
当前 ,还没有在风洞中测试后视镜及 A 柱区 域风噪声的条件. 为了初步验证分析过程和结果 , 测量了后视镜背面 A 点的噪声频谱 (如图 5 所示 (A 点坐标为 (0. 91 m ,1. 03 m ,0. 68 m) ) . 测量条
第 11 期 杨万里等 : 乘用车风噪声模拟研究 79
b. 模拟过程和模拟结果可用于乘用车后视 镜 、A 柱及其他声学敏感区域的声学结构方案评 价与比较 ,同时 ,能为整车风噪声声学结构改进提 供重要的指导意见 ;
c. 通过模拟分析和后视镜结构修改 ,A 点噪 声降低了 1. 5 dB (A 声压级) .
参考文献
[1 ] Ono K , Himeno R , Fukushima T. Prediction of wind noise radiated from passenger cars and its evaluation based on auralization [J ] . Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamic , 1999 (81) : 403 —419