0 前言

    汽車是一個包含了很多復(fù)雜總成的動力機械，根據(jù)噪聲源的不同，可以分為發(fā)動機噪聲、輪胎噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲以及氣動噪聲，各種噪聲具有不同的頻率峰值，組合在一起形成復(fù)雜的噪聲源。相關(guān)研究表明，在汽車剛剛啟動以及車速較低的情況下，發(fā)動機、傳動系等動力系統(tǒng)會成為主要的噪聲源；當(dāng)車速接近lOOkm/h的情況下，輪胎噪聲逐漸凸顯出來，成為主要噪聲源；當(dāng)車速達(dá)到100km/h后繼續(xù)加速，這時氣動噪聲會急劇增大，超過動力系統(tǒng)噪聲和輪胎噪聲，成為主要噪聲源。

    如圖1為汽車表面氣動噪聲源分布圖，從圖中可以看出氣動噪聲源主要分布在發(fā)動機罩頂部、車輪輪罩部位、A柱以及側(cè)窗后視鏡區(qū)域。由于后視鏡側(cè)窗區(qū)域氣動噪聲更容易直接傳入車身內(nèi)部而影響駕駛員的駕駛舒適度，因此有必要對汽車后視鏡氣動噪聲問題進(jìn)行研究。本文將對帶后視鏡某轎車模型勻速及加速行駛的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究后視鏡對車外脈動流場及側(cè)窗區(qū)域氣動噪聲的影響。

圖1 汽車表面噪聲源分布

1 流場計算方案及流動控制方程

    1.1 流場計算方案

    本文對兩種行駛工況進(jìn)行計算：勻速和加速行駛。其中勻速行駛車速為90km/h、121.8km/h；加速行駛初速度為120km/h，加速度為5m/S2，加速時間為0.1s，加速后的速度為121.8km/h。由于計算時間限制，僅計算了0.1s。

    為縮短計算時間，對勻速工況采用如下三階段流場計算方案：第一階段（定常流場階段），采用Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行定常計算，使計算域內(nèi)流動情況接近于汽車平穩(wěn)行駛情況；第二階段（非定常流動階段），當(dāng)?shù)谝浑A段計算接近收斂時，用同樣湍流模型進(jìn)行非定常流場計算；第三階段（脈動流場階段），采用LES大渦模擬湍流模型對勻速行駛的脈動流場進(jìn)行計算，以便得到接收點處脈動壓力，進(jìn)行噪聲分析。

    對于加速行駛工況，在初速度120km/h勻速行駛第一和第二階段計算結(jié)果基礎(chǔ)上，采用LES大渦模擬湍流模型對加速行駛脈動流場進(jìn)行計算。加速行駛過程設(shè)定一個變進(jìn)口速度，其他參數(shù)均與勻速行駛第三階段相同。

    1.2 流動控制方程

    對空氣來說，當(dāng)馬赫數(shù)Ma<0.3時，車身周圍外部流動可按不可壓外部流動處理，汽車在行駛過程中的外部流場可視為等溫、非定常不可壓縮流動，且空氣介質(zhì)的物性參數(shù)為常數(shù)。非定常不可壓N-S方程組為：

    連續(xù)方程：

    動量方程：

    式中V為速度矢量，p為壓力，ρ為氣流密度，μ為動力粘性系數(shù)

2 流場計算模型

    2.1 幾何模型及計算區(qū)域

    由于進(jìn)行噪聲計算時對計算機硬件的要求較高，所以在不影響計算精度的前提下，本文對采用的某汽車幾何模型進(jìn)行了相應(yīng)簡化處理，對車身部分省略了門把手、雨刮器、前格柵等，對底盤部分采用了平滑處理，并用簡化的車輪代替了真實的輪胎結(jié)構(gòu)，基本保證了模型車與實車的一致性。經(jīng)簡化后安裝有后視鏡的某汽車幾何模型如圖2所示。

圖2 帶后視鏡某轎車模型

    數(shù)值模擬的一個比較重要過程就是將無限信息系統(tǒng)變?yōu)橛邢扌畔⑾到y(tǒng)，即離散化過程。而在實際的操作中，實現(xiàn)空間的離散化就是網(wǎng)格的生成，因此就要定義一個生成網(wǎng)格的空間，這就是計算區(qū)域。當(dāng)汽車在道路上行駛時，除了與地面接觸以為，并沒有所謂的限制空間，因此為了使計算結(jié)果更接近于汽車行駛的真實環(huán)境，對計算區(qū)域的基本要求是：計算區(qū)域的邊界不能對流場形成干涉，也就是說受到車輛影響的流場完全包括在計算區(qū)域內(nèi)。本文選定的計算區(qū)域為長方體，此外，由于車身結(jié)構(gòu)近似于對稱結(jié)構(gòu)，本文使用半車身模型對外流場進(jìn)行模擬計算。如圖3為本文所采用計算區(qū)域示意圖，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置計算區(qū)域的大小為：8倍車長，5倍車寬，5倍車高。其中流場入口距離汽車前緣2倍車長，壓力出口距離汽車后緣5倍車長。由于后視鏡的中截面一般都和人耳在同一平面上，所以采集的數(shù)據(jù)點主要集中的中截面附近，選取側(cè)窗表面上的4個點作為監(jiān)測點，沿x向均勻分布，間距為0.1m，如圖4所示。

圖3 計算區(qū)域示意圖

圖4 監(jiān)測點位置

    2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

    由于模擬中重點關(guān)注的是后視鏡區(qū)域產(chǎn)生的噪聲，為了保證計算流場有必要的分辨率和準(zhǔn)確度，計算節(jié)點總數(shù)必須達(dá)到一相當(dāng)大的數(shù)量，因此需對后視鏡表面網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，如圖5為后視鏡表面網(wǎng)格；同時為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，側(cè)窗表面、駕駛室前風(fēng)窗、頂部和后部采用漸變式網(wǎng)格劃分；同時為了有效模擬汽車外表面的流動特性，需要在車身外表面生成附面層，為了準(zhǔn)確模擬車身外表面的附面層，在車身外表面拉伸出的附面層網(wǎng)格必須滿足壁面函數(shù)Y+<1的需求，如圖6為本文模型車壁面Y+值分布圖，由圖可知模型車的附面層網(wǎng)格滿足壁面函數(shù)Y+<1。

圖5 后視鏡表面網(wǎng)格

圖6 模型車壁面Y+值

    本次模擬的邊界條件設(shè)置如下：

    ①速度入口（Velocity Inlet）：位于汽車前緣2倍車長處，勻速行駛時的速度大小為90km/h、121.8km/h，以及加速行駛時的速度大小需通過自定義場函數(shù)來實現(xiàn)，根據(jù)計算方案定義加速行駛時入口速度大小為120+18*Tim/3.6。

    ②壓力出口(Pressure Outlet)：位于距離汽車后緣5倍車長處，出口壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，靜壓為零。

    ③計算區(qū)域車身對稱面設(shè)置為對稱邊界(Symmetry)；計算域側(cè)面、頂面設(shè)置為滑移壁面邊界(wall，slip)；車身表面及地面設(shè)置為非滑移壁面邊界(wall，no slip)。

3 勻速行駛計算結(jié)果分析

    由于用大渦模擬計算脈動流場，所以時間步長大小是決定模擬結(jié)果的一個重要因素。經(jīng)驗表明，當(dāng)頻率超過5000Hz時，表面脈動壓力和遠(yuǎn)場噪聲能量均己相對較小，可取計算值的最高頻率為5000Hz，時間步長*<1/f =1/5000=0.0002s，為滿足這一要求，根據(jù)采樣定律，采樣頻率就大于或等于0.0001s，每一步記錄一下接收點壓力，共計算1000個時間步，計算總時間為0.1s。

    3.1 接收點處流速

    圖7和表1分別為兩種車速下第三階段結(jié)束時車身表面速度分布圖及測點處的流速大小。以point1為例，兩種速度下接收點的流速，90km/h速度下為10.5m/s，121.8km/h速度下為14.6m/s，增加了39%。由圖表中各測點的仿真值可知車速越高，同一接收點處流速越大。

圖7 車身表面速度分布圖

表1 兩車速下各監(jiān)測點流速（m/s）

    3.2 接收點處壓力

    圖8及表2分別為兩種車速下第三階段結(jié)束時車身表面壓力分布圖及測點處的壓力大小。同樣以point1為例，在接收點處，90km/h速度下壓力為-125.3Pa，121.8km/h速度下壓力為-240.5Pa，下降了115.2Pa。由圖表中各測點的仿真值可知車速越高，同一接收點處壓力越小。

圖8 車身表面壓力分布圖

表2 兩車速下各監(jiān)測點壓力值(Pa)

    3.3 氣動噪聲分析

    圖9為兩種車速下監(jiān)測點pointl處聲壓級與頻率關(guān)系曲線。隨著頻率增加，90km/h速度下接收點處聲壓級約從123dB開始下降，最后約在40dB上下波動；121.8km/h速度下接收點處聲壓級約從124dB開始下降，基本上在46dB上下波動，增大了6dB。由此可見，車速越高，整個頻域內(nèi)脈動壓力級整體上越大。

    現(xiàn)實生活中，人耳并不是接受到單一頻率下的純音，而是噪聲源發(fā)出的各個頻率下聲音的綜合作用，因此，需要對各個測點處的總脈動壓力級進(jìn)行分析才能有效的說明問題。在得到脈動壓力頻譜分析的基礎(chǔ)上，將各個頻率的脈動壓力級迭加起來可得到總的脈動壓力級，如表3所示為各測點的總脈動壓力級。從表中可以看出，車速越高，同一測點處總脈動壓力級越大，即氣動噪聲越大。

圖9 point1處聲壓級頻域圖

表3 兩車速下各監(jiān)測點總脈動壓力級(dB)

4 加速行駛計算結(jié)果分析

    4.1 接收點處流速

    圖10和表4分別為加速0.1s后車身及后視鏡表面速度分布圖及測點處的流速大小。以point1為例，加速0.1s后，空氣流速約為15.4m/s，與121.8km/h勻速情況相比，流速大了0.8m/s�？梢姡�同一速度下，加速運動比勻速運動接收點處的流速大。

圖10 加速0.1s后車身表面速度分布圖

表4 加速0.1s后各監(jiān)測點流速(m/s)

    4.2 接收點處壓力

    圖11和表5分別為加速0.1s后車身及后視鏡表面壓力分布圖及測點處的壓力大小。以pointl為例，加速0.1s后，接收點壓力約為-247.4Pa，與121.8km/h勻速情況相比，壓力小了6.9Pa�？芍�，同一速度下，加速運動比勻速運動接收點處的壓力小。

圖11 加速0.1s后車身表面壓力分布圖

表5 加速0.1s后各監(jiān)測點壓力(Pa)

    4.3 氣動噪聲分析

    圖12為汽車加速過程中pointl處聲壓級頻域圖，在加速過程中，脈動聲壓級同樣隨頻率增加先減小，最后在某一值附近上下波動。脈動聲壓級隨頻率的增加從128dB開始下降，并在2000Hz以上變化緩慢，基本上在50dB左右波動，比121.8km/h勻速行駛大了約4dB，同時加速時該接收點處總聲壓級為135.2dB，比勻速工況總聲壓級高3.3dB。可知，在同一行駛速度下，加速行駛比勻速行駛在整個頻域內(nèi)脈動聲壓級整體上要大，總聲壓級也大。

圖12 point1處聲壓級頻域圖

表6 加速0.1s后各監(jiān)測點總脈動壓力級(dB)

5 結(jié)論

    勻速行駛車速越大，接收點處流速越大，壓力越小，脈動壓力的脈動幅度越大，整個頻域內(nèi)脈動聲壓級整體越大，總聲壓級也越大；在同一行駛速度下，加速行駛狀態(tài)比勻速行駛狀態(tài)在接收點處的流速要大，壓力要小，整個頻域內(nèi)脈動聲壓級整體上要大，總聲壓級也要大。

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本文標(biāo)題：行駛狀態(tài)對汽車后視鏡氣動噪聲影響的研究

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