汽车气动噪声数值计算分析

(6)
式中 ui、uj 为速度分量 。
函数 f用来定义运动固体表面 S, 如图 2 所示 ,
固体表面将流体分为不同区域 , 彼此之间是不连续
的 。在固体内表面 f < 0,外表面 f > 0,表面上 f = 0。
图 2 固体表面 S 和周围流体体积 V
式 ( 5)方程右边第 1项是 L ighthill声源项 [ 5 - 6 ] , 为 4极子声源 ;第 2 项表示由表面脉动压力引起的 声源 (力分布 ) ,是偶极子声源 ;第 3项表示由表面加 速度引起的声源 (流体位移分布 ) ,是单极子声源 。 在汽车行驶过程中 ,空气在车辆的外表面产生流场 变化 ,所产生的噪声有 3个来源 :由车辆位移引起体 积变化所产生的单极子源噪声 ,车辆表面作用在流 体上的表面力引起的偶极子源噪声 ,以及车辆周围 体积中的 单 位 体 积 的 应 力 张 量 产 生 的 四 极 子 源 噪 声 。因为汽车表面可看作是刚性的 ,体积脉动量几 乎为 0,因此单极子噪声不必考虑 。由文献 [ 6 ]知 , 气动噪声中的四极子源噪声与偶极子源噪声强度之 比正比于马赫数的平方 ,地面车辆属于低速运载工 具 ,马赫数小 ,因此其四极子源噪声远小于偶极子源 噪声 ,可略去不计 ,因此对于汽车气动噪声的研究主 要是针对偶极子源噪声的特性 。
到达开口的前缘 ,将再次引发涡旋的脱落 。这个过
程每秒钟会重复很多次 ,并且引起剪切层产生一个
来建立原型 ,通过 CFD 仿真就能快速评估不同设计 更改对气动噪声的影响 。
文中阐述了汽车气动噪声仿真分析的 2 个步 骤 :采用 CFD软件 Fluent提供的大涡模拟方法 ( large eddy simulation, LES)计算出汽车的瞬态外流场 ,然后 在此基 础上 采用 L ighthill2Curle 声 学理 论和 FW 2H ( Ffowsc W illiam s2Hawking model)模型 ,对车外气动噪 声特性进行预测 。最后介绍了该计算仿真手段在实 际车型开发中的应用以及降低气动噪声的措施 。
也很长 。为了弥补直接模拟的这个缺点 ,可以采用 L ighthill的声学近似模型 ,把噪声的求解分成 2个步 骤 [ 3 ] ,即将噪 声的 产生 与传 播过 程 分 别 进 行 计 算 (图 1) ,从而达到加快计算速度的目的 。
图 1 噪声模拟原理图
111 湍流控制方程
应用大涡模拟 (LES)对汽车的瞬态外流场进行
1 气动噪声数值模拟理论
气动噪声的生成和传播可通过求解可压缩 N 2S 方程的方式进行数值模拟 。然而与流场流动的能量 相比 ,声波的能量要小几个数量级 ,客观上要求气动 噪声计算所采用的格式应有很高的精度 ,同时从声 源到噪声测试点划分的网格也要足够精细 ,因此进 行直接模拟对系统资源的要求很高 ,而且计算时间
212 风振噪声
风振噪声是气动噪声的一个重要组成部分 [ 8 ] ,
当汽车侧窗或天窗开启时 ,车厢内就形同空腔 。在
开口的上游边缘 (前缘 )处存在着不稳定的剪切层 ,
使得涡旋在这个位置脱落并随着气流一起向后流
动 。当它们撞击到开口的后缘时 ,涡旋破碎 ,产生一
个向四面传播的压力波 。传到车外的一部分压力波
式中 δij为克罗内克系数 ;μt 为亚格子湍流黏性系数 ; τkk为各向同性的亚格子尺度应力 ; Sij是求解尺度下
的应变率张量分量 ,定义为
1
Sij = 2 ( 9ui / 9xj + 9uj / 9xi )
(4)
112 FW 2H声类比方程
1969年 , Ffowcs W illiam s和 Hawkings利用 L ight2
图 3 侧窗表面的流场分布
图 6 优化前后车内噪声声压级对比
车厢 。作者曾通过数值仿
真与实验对国内某汽车公
司提供的后视镜模型进行
了气动噪声分析 ,并进行
了优化改进 ,得到了较好
的降噪效果 。图 7为研究
的后视镜模型 。图 8给出 了改进前后的声 压频 谱
图 7 后视镜模型
图 。为了验证仿真分析的可行性 ,对修改前后的模
数值仿真分析 ,求出满足时间精度要求的各相关变
量 (压强 、速度和密度 )在声源面上的变化过程 。大
涡模拟是介于直接数值模拟 (DNS)与 Reynolds平均
法 (RANS)之间的一种湍流数值模拟方法 。其基本
思想可以概括为 :用瞬时的 N 2S方程直接模拟湍流
中大尺度涡 ,不直接模拟小尺度涡 ,而小涡对大涡的
W ang Y ip ing1 , Gu Zhengq i1 , L iW e ip ing1 , X iang Y u2 & Zhang Hongtao2
11Hunan U niversity, S ta te Key L abora tory of A dvanced D esign and M anufactu ring for V eh icle B ody, Changsha 410082; 21D epa rtm ent of A u tom otive Eng ineering, Guangxi U n iversity of Technology, L iuzhou 545006
hill2Curle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 2H方程 [4 ]为
92ρ′ 9t2 -
a20
92ρ′ 92 9x2i = 9xi 9xj { Tij H ( f) }
-
9 9xi
P
ij
9fδ( 9xj
f)
9 +
9t
ρ 0
vn
9fδ( f) 9xi
(5)
式中
ρ′=ρ
-
ρ 0
[摘要 ] 文中阐述了气动噪声数值分析的两个步骤 ,即采用大涡模拟 (LES)计算汽车外部瞬态流场和采用 FW 2H声学模型预测其噪声特性 。最后介绍了该数值仿真方法在汽车设计中的应用以及降低气动噪声的措施 。
关键词 :汽车设计 ;气动噪声 ;大涡模拟 ; FW 2H声学模型
A Numerical Analysis on Automotive Aerodynam ic Noise
图 8 优化前后后视镜后某点的声压频谱图
图 5 表面噪声源分布
汽车工程师总是很关心后视镜所产生的噪声 。 不仅是因为通过后视镜表面的气流会产生噪声和扰 动 ,而且这些压力的扰动能激励车窗 ,并将噪声传入
图 9 实验测试不同车速下声压级变化量
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汽 车 工 程
2009年 (第 31卷 )第 4期
为流体密度变化量 ;
a0
为远场声速 ;
vn 为表面法向速度 ;δ( f)为 D irac delta函数 ; H ( f)为
H eaviside函数
;
P
为
ij
应
力
张
量
;
ρ 0
为未受扰动时流
体密度 ; Tij为 L ighthill应力张量 ,定义为
Tij
=ρui uj
+ Pij
-
a20
(ρ-
ρ 0
)δij
型进行了道路试验 ,图 9 为试验测得的在不同车速
下声压级的变化量 , 70km / h 以下噪声变化量为 0,
说明此时的气动噪声对整车噪声影响不大 ,由于该
车的设计速度为 120km / h,所以在 120km / h以上时 ,
由于整个车振动强烈 ,有其他噪声源的影响而无法
确认其效果 。
图 4 A柱修改模型
为过滤后的压强 ;μ为湍流黏性系数 ;τij为亚格子尺
度应力 ( sub grid2scale stress,简称 SGS应力 ) ,它体
现了小尺度涡的运动对所求解方程的影响 。
为使控制方程封闭 ,当前采用较多的亚格子模 型是涡旋黏性模型 ,即
τ ij
-
Hale Waihona Puke Baidu
1τ δ 3 kk ij
=
-
2μt S ij
(3)
[ Abstract] In this paper, two step s of aerodynam ic noise analysis are expounded, i. e. , the transient exteri2 or flow field is calculated by large eddy simulation (LES) and then the noise characteristics are forecasted using FW 2H acoustic model. Finally som e app lication examp les of numerical sim ulation in vehicle design are p resented w ith the m easures for reducing aerodynam ic noise given.
3 国家 863计划 (2007AA04Z122) 、湖南省科技计划重大项目 、教育部长江学者与创新团队发展计划 (531105050037)资助 。 原稿收到日期为 2008年 5月 27日 ,修改稿收到日期为 2008年 9月 27日 。
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汽 车 工 程
2009年 (第 31卷 )第 4期
Keywords: veh icle design; aerodynam ic no ise; L ES; FW 2H acoustic m odel
前言
新的研究表明 [ 1 - 2 ] ,车速超过 100km / h,气动噪 声的影响就已超过了其它噪声 ,而目前高速公路上 的车速大多超过了 100km / h。因此 ,降低气动噪声 , 以便降低其通过噪声及车内噪声 ,已经成为全球各 大汽车公司研究汽车 NVH的重要内容之一 。
汽车 气 动 噪 声 主 要 由 泄 漏 声 或 称 吸 入 噪 声 ( leak or asp iration noise ) 、风 激 励 声 ( w ind rush noise)以及风振噪声 (w ind buffeting) 3 部分 组成 。 早期的研究依赖于风洞试验或者实车道路试验 。通 常需要等待设计阶段的原型车出来后才能进行噪声 的测试 。唯一可行的降噪方法就是修改原型并且测 试修改后对气动噪声的影响 ,这个过程耗时耗资 ,并 且效果不理想 。近年来随着计算机技术的提高 ,使 得通过求解非稳态流体的控制方程预测气动噪声源 以及噪声传播成为可能 。工程师再也不用耗时耗力
2 应用实例
211 A 柱以及后视镜附近风激励噪声分析 由于汽车的外形非常复杂 ,在大的边拐角处发
2009 (Vol. 31) No. 4
汪怡平 ,等 :汽车气动噪声数值计算分析
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生大的气动分离现象 ,在 A 柱附近和侧窗表面上涡 流流动剧烈 ,产生很大的压力脉动 ,是产生车内外气 动噪声的主要声源 。此外在侧窗附近还会生成许多 的次生分离流动 ,形成非常复杂的分离流 。研究表 明 [ 1 ] , A 柱后面的侧窗表面存在着强烈的涡流 ,气流 在这个区域上是先分离然后再附着 ,这个区域可以 分成分离区和再附着区 (图 3) 。在分离区存在着两 个方向相反的涡 ,通过测量表明分离区的流动是有 旋的 ,而在附着区的流动是无旋的 。同时 A 柱附近 的后视镜也是导致气流分离的主要因素 。因此 A 柱 和后视镜的造型对于控制气动噪声起着非常重要的 作用 ,文献 [ 7 ]通过修改 A 柱造型来降低车外气动 噪声 (图 4) ,通过计算获得侧窗表面的 Powell噪声 源分布 (图 5) 。最终通过实验测得了优化前后驾驶 员耳旁声压级 1 /3倍频程频谱图 (图 6) 。
2009年 (第 31卷 )第 4期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
汽车气动噪声数值计算分析 3
2009 (Vol. 31) No. 4
2009080
汪怡平 1 ,谷正气 1 ,李伟平 1 ,向 宇 2 ,张洪涛 2
(11湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 ,长沙 410082; 21广西工学院汽车工程系 ,柳州 545006)
影响通过近似的模型来考虑 。将 N 2S方程在物理空
间进行过滤 ,得到 LES的控制方程 [ 3 ]为
9 9t
(ρui
)
+
9 9xj
(ρui
uj
)
=
-
9p 9xi
9 +
9xj
μ 9ui 9xj
9τij -
(1)
9xj
9ρ +
9t
9 9xi
(ρui
)
=0
(2)
式中 ρ为流体密度 ; ui 和 uj 为过滤后的速度分量 ; p