刘龙贵;谷正气;张勇;尹小放;林肖辉
【摘 要】利用大涡模拟(LES)对某典型车型瞬态流场进行仿真计算,应用Lighthill-curle声类比理论,采用宽带噪声源模型(BNS)及FW-H方程,对汽车车身部件气动噪声进行数值模拟研究.分析了车身各板块及凸出部件附近气流的分离情况及外场声压级大小,对比了有、无部件时车外声场的差异;并确定了车身各部件气动噪声的贡献量.通过气动噪声贡献量的对比发现,汽车各部件中近场总声压级贡献量相对较大的为底盘和车轮、天线和雨刮器相对较小;远场声压级贡献量中,车身和底盘相对其他部件较大,天线相对较小;且车外远场点声压级的大小和各部件辐射噪声的强度以及其辐射面积正相关;车身板块中贡献量相对较大的为侧围和轮腔,较小的为前挡风玻璃.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)010
【总页数】6页(P89-94)
【关键词】气动声学;贡献量;大涡模拟(LES);声类比;宽带噪声源模型;FW-H方程
【作 者】刘龙贵;谷正气;张勇;尹小放;林肖辉
【作者单位】湖南工业大学机械工程学院,株洲412007;湖南工业大学机械工程学院,株洲412007;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410012;湖南工业大学机械工程学院,株洲412007;湖南工业大学机械工程学院,株洲412007;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410012
【正文语种】中 文
【中图分类】U461.1
汽车行驶过程中，车身与气流相互作用产生的压力脉动，即引起气动噪声的根源［1］。而汽车车身各部件的气动噪声贡献量是不同的，对汽车各部件气动噪声进行贡献量分析，以确定对汽车气动噪声影响最大的部件，这是实现低噪车身设计的重要环节和重要保障。
2006年惠巍等应用有限元结合边界元的方法对某简单轿车模型进行了面板声学贡献度分析，苹果汽车
并针对贡献量较大的板块提出了降噪措施取得较好的结果［2］;2008年韩旭等采用了新的参数“声学贡献和”与“声场总贡献”并以某型轿车为例来分析和衡量了车身板件对乘员室声压响应的声学贡献，确定了出车身板件上最佳的阻尼层贴附位置［3］;2010年邓江华等基于近场声全息技术(NAH)分析了车内噪声贡献量［4］;2011年邹岳对某拖拉机驾驶室的面板声学贡献度进行了分析，并提出了结构优化措施［5］;2011年刘东明等应用LMS ASQ计算了车身板件对车内空腔辐射噪声的贡献量，仿真值与实验值在低频范围内比较符合［6］;2012年王二兵等通过计算得到车身各板件对车内噪声的声学贡献，分析出影响比较显著的关键面板，根据分析结果对车身相应板件进行振动抑制，结果表明板件贡献分析方法为控制车内低频噪声提供了合理的建议［7］。
以往较少对汽车气动噪声贡献量进行研究，本文应用商用CFD软件FLUENT对某典型车型及其白车身模型进行了数值模拟计算，运用 Lightill-Curle声学理论和宽带噪声源(broadband noise source)模型对汽车气动噪声进行定性分析，采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)对气动噪声进行定量分析，并在此基础上对车身各部件总声压级的贡献量进行了研究。
1 气动噪声声学波动方程
Lighthill［8，9］根据 N-S 方程推导出运动流体的声辐射方程(式1)，首次描述了气流运动诱发声的传播问题。
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式中，Tij称为 Lighthill应力张量;(p－p0)为流场中压力的脉动量;(ρ－ρ0)为流体密度的波动量;δij为单位张量;c0为声速。
Lighthill方程直接从N-S方程出发，把方程左边表达成为经典的声学波动方程，而把所有偏离波动方程的项都移到了方程的右边，看作为源项。于是可以先通过试验或仿真获得这些源项的表达，然后把声场看作声源产生的声波在静止介质中传播，实现流场和声场分别处理。东风风度mx5
若将Lighthill声类比理论应用到有限容积空间V上，S为此空间的边界，则方程的解为
式(3)中，x为响应点的位置矢量;y为声源的位置矢量;t－|x－y|/c0为时间滞后。该解是在自由空间假设中得到的，没有考虑静止固体边界的影响。
1955年，Curle用基尔霍夫方法将式(3)应用到流体中固体障碍物表面，得到Lighthill-Curle的解
式(4)中，方程右边第一项为四极子声源;第二项为偶极子声源;第三项为单极子声源。
汽车行驶过程中，表面可以看作是刚性的，体积脉动量几乎为零，所以单极子声源可以忽略。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，地面车辆马赫数小(Ma＜0.3)，其四极子源噪声远小于偶极子源噪声，也可略去不计。那么偶极子声源的噪声就成为主导声源，其在远场的声压就可近似表示为
利用式(5)计算出的远场声压进行傅里叶变换，就得到了声压的频谱。
2 计算模型及方法
2.1 计算模型的建立
如图1所示为一款典型的阶背实车模型，为了计算汽车各部分气动噪声贡献量的大小，保留了其底部结构(包括底板、车架、排气系统、油箱等)、后视镜、雨刮器、门把手、天线以
及风窗玻璃等，基本上保证了与实际车型的一致性，简称为C车。为了对比有无汽车各部件流场、声场的差异并计算车身各板块气动噪声的贡献量大小，对车身进行了简化处理，省略了后视镜、雨刮器、天线、门把手等附件，并将轿车底部简化为平面，如图2所示该车白车身模型，简称为S车。
马3报价及图片图1 C车模型
图2 S车模型拉力艺
本文所用计算域为包围汽车模型的长方体(如图3)，长约11L，宽约5W，高约4H。由于汽车几何外形较为复杂，选用贴体性良好的四面体网格，并对某些参数变化梯度大的敏感区进行局部加密，而在非敏感处参数变化梯度小的区域，采用较稀网格。同时由于汽车车身表面的流体黏性作用，存在一个厚度在几毫米至几十毫米的附面层。为了更好的模拟附面层效应，在车身外表面生成三层精细的棱柱网格来计算附面层的影响。最终生成网格在1 200×104左右。
图3 计算域
2.2 数值模拟设置
应用商用CFD软件对该车进行了仿真计算。仿真过程中，设置入口为入流边界，速度为30 m/s;出口为压力出口，一个标准大气压;地面为滑移壁面，速度为30 m/s;其他壁面为静止壁面。本文稳态计算采用 Realizable k-ε湍流模型求解，迭代1 000次。瞬态求解选用LES，声学计算使用声类比模型。本次拟分析噪声最高频率为5 000 Hz，采样时间为0.1 s，因而时间步长取0.000 1 s。由于流场有一个起动到稳定的过程，在0.05 s才开始对监测点采样，每时间步迭代20次。
3 计算结果分析
由文献［10］可知，汽车外流场是研究汽车表面脉动压力的基础，而表面脉动压力又是产生气动噪声的根源。因此对气动噪声的研究建立在对流场及压力场分析的基础上。
3.1 压力及流场分析
3.1.1 整车流场分析
图4是C车车身表面速度矢量图。由图4可知，由于A柱、后视镜、车轮等部位上拐角的存在，会使得气流在这些区域流速加快，发生分离，形成较强的涡流。如图5为S车及C车的表面压力分布图，通过对比发现，两车表面压力分布基本一致，在车头前脸、风挡玻璃底部以及车轮迎风面处与来流直接冲击，显示为正压区，A柱、车顶等部位显示为负压区。车头、车轮、A柱、后视镜等部位压力梯度大，等压线比较密集，同时这些区域气流速度变化大，容易产生气流分离，造成漩涡的生成、旋转、脱落，气流在这些部位的分离和再附着，使得这些地方的脉动压力远高于其他部位。
图4 C车车身表面速度矢量图(m/s)
烟台交警车辆违章查询图5 车身表面压力分布图(Pa)
3.1.2 局部流场分析
图6(a)为后视镜处的流线图。由于后视镜的拐角存在，使得气流在此分离且流速加快，且后视镜后部存在大量的回流区，形成了两个明显的涡流，使得该处成为重要的气动噪声源之一。
图6(b)所示为雨刮器附近的涡系情况。气流沿发动机罩表面向后流动，而前风窗玻璃处凹槽的存在使得气流在发动机罩后缘处开始分离，在挡风玻璃底部形成一个顺时针的分离涡。气流在经过雨刮器时，在其后部又形成两个分离涡。这些涡系使得前风窗位置有较大的压力脉动，此处是重要气动噪声源之一。
图6(c)为前车轮z=0截面处流线图。前方气流在车头处受阻后，部分从车身侧边流过，在流经车轮时，受车底低压的影响，一部分被吸附到轮腔内，由于车轮以及轮腔结构的复杂性，产生一系列漩涡。涡系逐渐向后发展，与轮腔后部发生碰撞产生压力波动，产成较大的气动噪声。
图6(d)为门把手位置流线图。从图可以清楚地看到，门把手凹槽内部有两个小分离涡。门把手处类似空腔的结构使得分离涡发生周期性脱落与碰撞，产生一个向四面传播的压力波。门把手微小的凸出对其后面的流场也会产生一定干扰。
图6(e)为前车轮x=0截面处流线图。从车头部进入到车底的高速气流与与底盘上凹凸结构、排气系统、油箱等发生碰撞，且底盘结构复杂极易形成众多大小强度不一的涡流(如图e)，在整个底盘区域产生强烈的脉动压力，使得底盘位置成为气动噪声最为突出的部位。
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