汽车风振噪声的CFD仿真研究现状
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缩流体模型明显低估了峰值声压级 （ $1.6） ， 高估了 风振频率 （ 高出一倍） 。" 当车厢内坐 $ P I 个人时 风振声压级变化不明显， 但坐上 : 个人时声压级却 下降了一半， 这种现象还有待进一步研究。 # 中等 尺度网格 （ Q*1 万个） 兼顾了计算精度和计算时间。 当网格数量更大 （ &*1 万个） 时对 计算精度影响 不 大， 但计算时间却成倍增长。 $ 由于 “排出” 效应， 当前窗打开一半时， 后窗的风振减小了。 之后， 他们总结了之前的Fra Baidu bibliotek究， 在此基础上， 尝
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峰值噪声， 导流片 / 降低了 B./ 。 #" 天窗玻璃打开到合适的位置 其原理 也是为了避免 涡流撞击开 口后缘。文 献
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减小到 部分开 窗的 %" ’!? ， 风 振噪声 峰值 减小 了 ’%./ 之多。 ’" 在开窗中间加一根立柱 其原理是改变车厢的固有频率以避开共振。加 上立柱后 （ 图 !） ， 风振噪声峰值减小了 #% 多 ./ ， 而
［I F5 ］
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定在 *182 3 J。他们提出了两种方法来减小噪声： 使 用导流片和控制天窗玻璃的开启位置。两种方法都 很好地降低了风振噪声。 K/C.A9)C) 和 L,M)C9 采 用 基 于 有 限体 积 法 的 ［%F$1］ !"# 软件 "-N/C( 对侧窗风振做 了大量的研究 。 他们展示了瞬态 !"# 仿真能够很准确地预测风振， 风振的声压级 （ LDG） 峰值 与风洞测 量数据仅 相差 &.6 ， 对应的频率仅相差 $KO。研究发现峰值声压级 随车速的增大而增大， 随横摆角则变化不大， 而频率 在 $I P $5KO 之间波动。他们还发现车厢内所有乘 客所承受的峰值振动压力和频率是相同的。 ［ $$］ =C 等人对侧窗风振做了更为细致的研究 。 他们研究了前窗和后窗分别打开时的风振， 发现后 窗打开时风 振噪声 比前窗 打开 时高 出了 $1.6 之 多。他们还研究了车速、 横摆角、 传感器位置、 流体 压缩性、 车厢容积、 网格尺寸和其它车窗打开对风振 特性的影 响。部 分研究 （ 车速、 横摆 角、 传感 器位 置） 印证了文献
收稿日期： (##$R"( R(+ 作者简介： 谷正气 （ "T$& R） ， 男， 湖南 长沙人， 教 授， 博士生 导师， 主要 研究 向： 汽车空气动力学。
图 "! 风振噪声产生示意图
?@ 研究概况
! ! 早期对风振噪声的研究依赖于风洞试验或者实 车道路试验。通常， 工程师需要等待设计阶段的原 型出来后才能进行风振噪声的测试。风振噪声可以 用声级计测出， 但是引起噪声的压力波却难以测量， 因此， 很难知道汽车的哪些部分影响了风振噪声， 更 谈不上如何减小它。唯一可行的 法就是修改原型 并且测试修改后对风振的影响， 然后再修改再测试，
图 #$ 声学后处理过程
且峰值已经很不明显， 也就是说， 基本上消除了风振 噪声。如果两块玻璃能同时升降， 并且购买者不介 意开窗中间有一根立柱， 那么这种方法也不失为一 ［0#］ 种理想的解决方案 （ 参见文献 ） 。
R R 总结前面的研究工作， 可以归纳得出 !"# 仿真 一般由以下四个部分组成： $0 建立 !"# 模型。 !"# 模型包括汽车模 型和流体域 模型。汽 车 模型可以从设计部获得， 但需要对车身作一些简化。 车厢内还要创建座椅和假人。流体域模型要建得足 够大， 以确保流体能充分流动。 Q0 划分网格。 整个流域包含车外和车内区域， 两部分通过开 窗连通。划分网格时， 要假设车窗关闭， 车厢内完全 密封。 在声学敏感区域， 如 = 柱， 6 柱， 后视镜， 开窗周 围， 网格要划分得更精细。 理论上， 划分的网格数越多， 计算结果越精确。 但受计算机资源和时间的限制， 需要在计算时间和 计算精度之间寻求一个平衡点， 通常 Q*1 万 P ;*1 万个网格较适宜。 ;0 运用 !"# 软件求解。 设置求解器时要注意以下几点： !选用瞬态仿 真来计算开窗处的压力脉动， 稳态结果作为瞬态的 初始条件。 "湍流模型通常选用大涡模拟 （ G?L ） 或 分离涡模拟 （ #?L ） ， 事实证明它们能很好地模拟湍 流运动。# 选用可压缩流体模型 （ 如理想气体） 来 模拟波在车内的传播和共振效应。因为声波在不可 压缩流体中传播速度是无限大的， 这造成计算结果 非常不准确 （参见文献 $$ ） 。$ 为了计算的准确性， 时间步长要足够小， 计算的总时间要足够长。 % 假 定车厢内表面为实体面而不是毯、 毡一类的松软面， 因为实体面反射压力波的能力更强。
Q11: 年 5 月R R R R R
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R R 噪R 声R 与R 振R 动R 控R 制R R R R R R R R
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R R 第& 期
如此反复。这个过程昂贵且耗时， 但效果并不理想。 近年来随着计算机性能的提高和 !"# 软件的 迅猛发展， 使 得风振噪声的 !"# 计算仿真 成为可 能。工程 师再 也不 用耗 时耗力 来建 立原 型， 通过 !"# 仿真就能快速评估不同设计更改的影响。!"# 仿真还能轻易得到汽车周围任一点的压力， 流速及 其它变量， 提供详细的参数来指导设计。 上世纪九十年代， 一批学者开始致力于风振的 !"# 仿真研究。$%%& 年 ’() 等人对汽车 天窗处的 风振进行了二维流场的仿真 。他们在 汽车对称 面划分结构网格， 运用基于有限体积法的 !"# 程序 +,-./ 来求解。流速范 围从 $$0 123 4 到 $50 *2 3 4。 他们发现在 风速 为 $&2 3 4 时， 驾驶 员耳 旁噪 声最 高， 为 $$*.6 。该结果与实车道路试验值吻合得较 好， 但振动频率与实验值相比偏高了。此外他们还 尝试安装导流片来抑制风振噪声。 此后， 计算机性能进一步提高， 能够进行更加大 型的计算。789() 等人在 $%%: 年较早的实现了天窗 风振的三维仿真
汽车风振噪声的 ,-. 仿真研究现状
! ! 文章编号： "##$ % "&’’ （(##) ） #* % ##$’ % #*
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汽 车 风振 噪 声 的
!"#
仿 真研 究 现 状
谷正气，肖朕毅，莫志姣
（湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 长沙 *"##+( ）
! ! 摘! 要： 对 近二十年来汽车风振噪声的 ,-. 仿真 研究作了一 个总结。阐述风 振噪声的 危害和产生 机理； 着重 介绍风振噪声的 ,-. 仿真研究及取得的成果， 在此基 础上归纳出仿 真的四个步 骤； 随 后谈到风振 噪声的抑止 和控 制， 列举五种较 为成功的降噪方法； 最后本文对未来的研究工作进行 展望。 关键词： 振 动与波； 汽车；风振； 噪声；,-.； 侧窗；天窗 中图分类号： /*$)! ! ! 文献标识码： 0
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。他们 使用了一个简 化的汽车
模型， 在其周围 划分结构网格， 运用有限 差分程序 <=+=>? 来求解， 仿真结果与水风洞实验结果吻合 得很好。他们也研究了导流片对天窗风振的影响。 近年来， !"# 仿真朝 着真实化的方向发展， 为 了更好地模拟 !"# 模型的细节部分， 三维非结构网 格开始得 到运用。 @)AB,C 等人使用包含 导流片和 乘客舱的复杂汽车模型、 三维非结构网格和有限元 软件 D=EF"G’H 来计算天窗风振噪声
［"R&］ 之为 “风律动 （ OA>< 2F:98） ” ， 后来有些学者把这 ［*R’］ 种现象称为 “ 共鸣 （ :4@9>3>?4 ） ” ， 近年来， 大多数
重复很多次， 并且引起剪切层产生一个特定的振动 频率， 如果这个频率与车厢的固有频率相同， 将会发 生共振， 这种类型的共振称为亥姆霍兹共鸣 （图 " ） 。 共振频率取 决于车速， 开口形状， 车厢空间大小 等 等。通常这个振动频率不在人的听力范围内， 但是 乘客仍然能够感觉到一股强烈的脉动压力， 长时间 处于这样的环境中会使人疲倦和烦躁不安。
学者用 “ 风振 （ OA>< 8D;;42A>B ） ” 来描述这一 类风噪
［$R"(］ 声 。
风振噪声可以认为是一种空腔共鸣， 当汽车侧 窗或天窗打开时， 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
［$1］
的 结论。其余研 究结论叙 述如
下： !理想气体是一种合适的流体模型， 因为不可压
汽车风振噪声的 C(E 仿真研究现状 由于计算量巨大， 计算通常在超级计算机或网 络机群的并行环境下进行。即使这样， 仍需花费大 量的时间。 !" 声学后处理。 声学后处理过程如图 # 所示。
图 ’$ 两种形状的导流片
［ $Q］ 试了五种方法来减小后窗风振 ： $0 三角窗向外 转动 * 度； Q0 在开窗中间加一根立柱； ;0 ! 柱后设
一个通风口； &0 6 柱上安装一个喷流装置； *0 6 柱 上开槽。结果证实前三种被动控制基本消除了风振 噪声， 后两种主动控制则减少得不明显， 说明主动控 制还有待加强。
!" #$% 仿真的一般步骤
缩流体模型明显低估了峰值声压级 （ $1.6） ， 高估了 风振频率 （ 高出一倍） 。" 当车厢内坐 $ P I 个人时 风振声压级变化不明显， 但坐上 : 个人时声压级却 下降了一半， 这种现象还有待进一步研究。 # 中等 尺度网格 （ Q*1 万个） 兼顾了计算精度和计算时间。 当网格数量更大 （ &*1 万个） 时对 计算精度影响 不 大， 但计算时间却成倍增长。 $ 由于 “排出” 效应， 当前窗打开一半时， 后窗的风振减小了。 之后， 他们总结了之前的Fra Baidu bibliotek究， 在此基础上， 尝
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峰值噪声， 导流片 / 降低了 B./ 。 #" 天窗玻璃打开到合适的位置 其原理 也是为了避免 涡流撞击开 口后缘。文 献
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图 #$ 声学后处理过程
且峰值已经很不明显， 也就是说， 基本上消除了风振 噪声。如果两块玻璃能同时升降， 并且购买者不介 意开窗中间有一根立柱， 那么这种方法也不失为一 ［0#］ 种理想的解决方案 （ 参见文献 ） 。
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。他们 使用了一个简 化的汽车
模型， 在其周围 划分结构网格， 运用有限 差分程序 <=+=>? 来求解， 仿真结果与水风洞实验结果吻合 得很好。他们也研究了导流片对天窗风振的影响。 近年来， !"# 仿真朝 着真实化的方向发展， 为 了更好地模拟 !"# 模型的细节部分， 三维非结构网 格开始得 到运用。 @)AB,C 等人使用包含 导流片和 乘客舱的复杂汽车模型、 三维非结构网格和有限元 软件 D=EF"G’H 来计算天窗风振噪声
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重复很多次， 并且引起剪切层产生一个特定的振动 频率， 如果这个频率与车厢的固有频率相同， 将会发 生共振， 这种类型的共振称为亥姆霍兹共鸣 （图 " ） 。 共振频率取 决于车速， 开口形状， 车厢空间大小 等 等。通常这个振动频率不在人的听力范围内， 但是 乘客仍然能够感觉到一股强烈的脉动压力， 长时间 处于这样的环境中会使人疲倦和烦躁不安。
学者用 “ 风振 （ OA>< 8D;;42A>B ） ” 来描述这一 类风噪
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风振噪声可以认为是一种空腔共鸣， 当汽车侧 窗或天窗打开时， 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
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汽车风振噪声的 C(E 仿真研究现状 由于计算量巨大， 计算通常在超级计算机或网 络机群的并行环境下进行。即使这样， 仍需花费大 量的时间。 !" 声学后处理。 声学后处理过程如图 # 所示。
图 ’$ 两种形状的导流片
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一个通风口； &0 6 柱上安装一个喷流装置； *0 6 柱 上开槽。结果证实前三种被动控制基本消除了风振 噪声， 后两种主动控制则减少得不明显， 说明主动控 制还有待加强。
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