（机械电子工程专业论文）汽车天空噪声的控制和cfd仿真研究.pdf

汽车天窗噪声的控制和c f d 仿真研究 摘要 近些年来，随着汽车进排气噪声、发动机噪声、轮胎噪声以及传动系等噪 声得到了较好的控制，汽车气动噪声逐渐成为了汽车的主要噪声源之一，开始 引起人们的广泛注意。因此，本文将着重研究如何控制汽车天窗产生的气动噪 声。 本文首先建立汽车车身的数值模型并确定车外流场的计算域尺寸，然后对 汽车天窗外流场进行数值模拟，在车身表面生成了满足要求的三维网格，并细 化关键区域( 天窗附近) 的网格尺寸，以获得更加真实的模拟结果。流场模拟过 程分为稳态模拟和瞬态模拟两个步骤。稳态模拟采用分离解法、二阶s i m p l e 方法、二阶迎风格式及r n gk 一占湍流模型，用于分析天窗流场特性以及压力 分布，为车内噪声提供参考。瞬态模拟选用大涡数值模拟，采用w a l e 亚格子 模型，同时在时问上采用不迭代2 阶时间递进方法，以加快计算过程。在空间 上采用具有很好收敛性和网格适应性的中心差分方法，以保证足够的精度。时 间步长等参数是参考天窗附近区域涡流周期进行设置的，尽量保证在涡流的一 个脱落周期内有较多的采样点，这样可以充分捕捉天窗的风振频率。 在仿真分析阶段，本论文首先对汽车外表面的流场进行数值分析，在此基 础上，再进行天窗风振噪声的研究，最后得到了该车型的风振频率和监测点处 的风振声压。本文研究了三种不同的方法来控制汽车天窗噪声，分别为：合理 开启天窗、在天窗前缘安装腔体以及改变天窗在车顶的位置。仿真结果表明： 这三种措施都可以很好的控制天窗气动噪声9 改善车内噪声环境。 关键词：天窗；气动噪声：大涡模拟；计算流体动力学；腔体 c o n t r o lo fa u t o m o b i l es u n r o o fn o i s ea n dc f ds i m u l a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a se x h a u s t ，e n g i n e ，t i r e ，d r i v et r a i n s ，a n do t h e ra u t o m o b i l e n o i s ea r er e d u c e d ，a e r o d y n a m i cn o i s eo ng r o u n dv e h i c l e c r u i s ec o n d i t i o ni s b e c o m i n gr e l a t i v e l ym o r ei m p o r t a n t ，b e g u nt o a t t r a c tw i d e s p r e a da t t e n t i o n t h i s s t u d yw o u l dm a i n l ya n a l y s i sh o w t oc o n t r o lt h ea e r o d y n a m i cn o i s eo fs u n r o o f f i r s t l yt h en u m e r i c a lm o d e lo fc a rb o d yi s e s t a b l i s h e da n dt h ef l o wf i e l d c a l c u l a t i o nd o m a i ns i z eo fc a rb o d yi sd e t e r m i n e d ，t h e nan u m e r i c a ls i m u l a t i o no n s u n r o o ff l o wf i e l di sm a d e ，a n dt h r e e d i m e n s i o n a lg r i do nb o d ys u r f a c ei sg e n e r a t e d w h i c hw a ss u g g e s t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，g r i di nk e ya r e a ( n e a rs u n r o o f ) i s f u r t h e rm e s h e ds ot h a tt h es i m u l a t i o nc o u l db em o r ea c t u a l f l o wf i e l ds i m u l a t i o n p r o c e s si sd i v i d e di n t os t e a d y s t a t es i m u l a t i o na n dt r a n s i e n t s i m u l a t i o n i nt h e s t e a d y s t a t es i m u l a t i o n ，s e g r e g a t e ds o l v e r ，2 n do r d e rs i m p l e ，2 n do r d e ru p w i n d a n dr n gk 一占m o d e la r eu s e df o ra n a l y z i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n df l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c so ns u n r o o f , w h i c hw o u l db ep r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h ei n t e r i o rn o i s e a n a l y s i s t h el a r g ee d d ys i m u l a t i o nt h eg r i dm o d e lo fw a l ea r es e l e c t e d i n t r a n s i e n ts i m u l a t i o n ，m e a n w h i l e ，t h ei t e r a t i o n2o r d e rt i m ep r o g r e s s i o nw o u l db e s p e e du pt h ec a l c u l a t i o np r o c e s s f o r s c i e n t i f i c p r e c i s i o n ，t h ec e n t r a l f i n i t e d i f f e r e n c em o d e lo fb e t t e rc o n v e r g e n c ea n dg r i da d a p t i v ei ns p a c ew o u l da l s ob e u s e d a n dr e l e v a n tp a r a m e t e rs u c ha st h et i m es t e pi sd e t e r m i n e db yt h ee d d y c u r r e n tc y c l en e a rs u n r o o f , t oe n s u r et h a tt h e r ea r em o r es a m p l i n gp o i n t si na no f f c y c l eo ft h ee d d yc u r r e n t ，a st of u l l yc a p t u r e t h es u n r o o fw i n dv i b r a t i o nf r e q u e n c y i nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ef i r s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nw o r k e do n a u t o m o b i l es u r f a c ee x t e r i o rf l o wf i e l da tf i r s t ，a n dt h e nt h es u n r o o fw i n db u f f e t i n g n o i s ew a ss t u d i e do nt h eb a s i s a tl a s t ，t h ec a rm o d e lb u f f e t i n gf r e q u e n c ya n dt h e s o u n dp r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t sw e r eo b t a i n e d i nt h i st h e s i s ，t h r e ek i n do fw a y s t oc o n t r o ls u n r o o fn o i s ew a ss t u d i e d ，w h i c ha r eo p e n i n gs u n r o o fs c i e n t i f i c a l l y ， i n s t a l lc a v i t yi nt h es u n r o o fsf o r e f r o n ta n dc h a n g i n gt h el o c a t i o no ft h es u n r o o fi n t h er o o f t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e s em e a s u r e m e n t sc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ea e r o a c o u s t i c so fs u n r o o f , i m p r o v et h ei n t e r i o rn o i s ee n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：s u n r o o f ；a e r o a c o u s t i c s ；l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ；c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c ；c a v i t y 致谢 研究生阶段的学习即将结束，在这将近三年的学习生涯里，得到了许许多 多老师和同学的热情关怀和无私帮助，在此谨向他们表示最诚挚的谢意! 首先，我要向我的导师毕传兴教授致以衷心的感谢! 毕老师治学严谨，学 识渊博，待人诚恳，胸襟坦荡，他高屋建瓴的学术眼光、兢兢业业的工作精神， 为我树立了榜样。三年来，毕老师在学习上对我严格要求，精心指导，并很早 就向我提出论文写作的指导意见，帮助确定论文的主题。从论文的主题、内容、 到整体结构都给予了细致、有效的指导。在写作过程中，毕老师不惜牺牲休息 时间，细致、耐心的提出宝贵的修改意见，使论文得以顺利完成。他对我孜孜 不倦的耐心教诲和无微不至的关怀令我难以忘怀，受益非浅。 还要特别感谢陈剑教授的支持和帮助，同时在专业课程学习和论文工作开 展期间，还得到张永斌、徐亮等老师的精心指导和大力帮助，在此表示衷心感 谢。感谢噪声振动工程研究所所有老师三年来对我的关心和帮助。 另外在论文撰写过程中还得到杨剑、李忠禹、李有哲、郭明建、王歆侃、 朱江森、郭艳茹、马燕、张学丘等实验室所有同学给我的大力帮助。同时，感 谢室友在日常生活中对我的关心，正是有了你们的存在，才让我的研究生生活 更加精彩。最后，感谢所有给予我帮助的朋友和同学，让我在收获学业的同时， 也收获了友谊。 最后，感谢我的父母以及所有在这三年学习过程中给予我物质上和精神上 帮助的亲人和朋友们! 懈协 2 0 1 2 年3 月1 5 日 图2 。1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 ，4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图4 1 1 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 16 图4 17 图4 18 图4 19 插图清单 汽车车身外表面主要气动噪声声源示意图1 0 固体表面s 和周围流体体积v 示意图1 5 湍流数值模拟方法及湍流模型分类1 8 求解流程2 2 汽车简化模型2 5 计算域示意图2 6 网格侧视图2 7 网格俯视图2 7 天窗附近网格示意图2 7 亥姆霍茨共振腔3 1 原始工况速度云图3 2 原始工况压力云图3 2 原始工况人耳监测点处声压级频域图3 2 天窗开启5 0 ( 上) 和原始工况( 下) 速度云图3 4 天窗开启5 0 ( 上) 和原始工况( 下) 压力云图3 5 天窗开启5 0 和原始工况声压级频域图3 5 天窗开启3 0 ( 上) 、开启5 0 ( 中) 和原始工况( 下) 速度云图3 6 天窗开启3 0 ( 上) 、开启5 0 ( 0 e ) 和原始工况( 下) 压力云图3 6 天窗开启3 0 、开启5 0 和原始工况声压级频域图3 6 改进的汽车模型3 7 改进后汽车天窗局部示意图3 7 天窗改进后( 上) 和原始工况( 下) 速度云图3 8 天窗改进后( 上) 和原始工况( 下) 压力云图3 8 天窗改进后和原始工况声压级频域图3 9 两种腔体对比图4 0 本文腔体( 上) 、a n 腔体( 中) 和原始工况( 下) 的速度云图4 0 本文腔体( 上) 、a n 腔体( 中) 和原始工况( 下) 的压力云图4 0 本文腔体、a n 腔体以及原始工况声压级频域图4 1 天窗位置示意图4 1 天窗前移( 上) 、原始工况( 中) 和天窗后移( 下) 速度云图4 2 天窗前移( 上) 、原始工况( 中) 和天窗后移( 下) 压力云图4 2 天窗前移、原始工况和天窗后移三种工况声压级频域图4 3 表格清单 表2 1 声源分类7 表2 2 声源图示一8 表2 3 汽车车身气动噪声分类一9 表2 4 风洞实验室测量车外气动噪声的方法1 7 表2 5 三种湍流数值模拟方法的基本方程和特点2 1 表3 1 汽车模型尺寸2 5 表3 2 计算域尺寸2 6 表3 3 稳态求解器设置2 8 表3 4 瞬态求解器设置2 9 表3 5 边界条件3 0 表4 1 经验公式与仿真计算的风振频率3 7 第一章绪论 随着汽车技术的不断发展和人们生活水平的日益提高，越来越多的人开始 购买汽车以提高生活质量，但汽车所带来的噪声问题却一直困扰着人们。目前， 汽车的主要噪声是气动噪声，其他的一些噪声，如：进排气噪声、发动机噪声、 轮胎噪声等已经得到了较好的控制。本章简要的介绍了国内外关于汽车气动噪 声的研究成果，在此基础上提出了本文的研究内容。 1 1 研究背景及其意义 噪声水平是汽车的一个重要性能参数指标，是影响驾乘人员舒适性的重要 因素。当人们长期处于噪声污染的环境中时，噪声会对人们的心理产生障碍， 从而影响人们的身心健康。所以为了减小噪声污染，增加驾乘人员的舒适性， 降低汽车噪声就成为许多学者和汽车厂家研究的重要课题。 当汽车行驶在公路上时，噪声源有很多种。比如：进排气管产生的噪声、 发动机噪声、轮胎摩擦地面发出的噪声、车身板件振动噪声以及气流扰动车身 外表面产生的气动噪声等等。但是随着人们对汽车噪声关注度的提高，有很多 噪声源已经得到了很好的解决，例如：轮胎与地面的摩擦噪声，传动装置发出 的噪声以及发动机所产生的噪声c 卜4 1 。因此，汽车的气动噪声就越来越多的扮演 着汽车噪声中的主角，引起了人们的广泛注意。 气动噪声又可以称为空气动力噪声，它是指障碍物在运动过程中碰到气流 时所产生的噪声【5 】。在本论文中，为了描述的方便性，将“空气动力噪声”简 称为“气动噪声”。 当汽车以低速行驶时，气动噪声水平很低，会被轮胎噪声、发动机噪声以 及外部环境的一些噪声所掩盖。但是，当汽车以较高速度行驶时，气动噪声就 会成为主要的噪声来源，极大的影响了驾乘人员的舒适感觉。特别是对于那些 长途驾乘人员，汽车的气动噪声会让他们感到心情烦闷、焦虑甚至烦躁不安， 影响交通安全。所以，汽车的气动噪声已经成为影响车内噪声的一个重要因素， 并且逐渐的被人们所关注，其指标也已经成为消费者购买的一个重要依据。汽 车上暴露在外面的部件都有可能产生气动噪声，像后视镜、侧窗、天窗等等。 近些年来，随着汽车天窗逐渐成为现代汽车的标准配备，因汽车天窗而产 生的气动噪声问题开始逐渐受到人们的关注。根据某汽车行业内的一项调查发 现，消费者对汽车性能问题抱怨最多的是气动噪声问题，然后分别为制动噪声 问题、安全带不能正常使用、汽车操控性不好和汽车轮胎的磨损问题【6 1 。所以， 汽车的气动噪声已经在很大程度上影响到顾客对该汽车的购买欲望。并且，随 着许多地方道路系统的不断完善以及高速公路的扩建，汽车的气动噪声问题越 发显得明显，如何减小天窗气动噪声问题已经成为当下的一个研究热点问题。 因此，本文将重点研究如何控制汽车天窗产生的气动噪声问题。 汽车天窗不仅可以改善车内空气质量，还可以为驾乘人员带来舒适的感受， 但是打开的天窗又会引发气动噪声问题。不仅如此，当汽车以较低速度行驶时， 打开天窗还会产生风振现象，由此而产生的噪声称为汽车风振噪声。实际上， 汽车风振噪声属于汽车气动噪声的一种，它是指当汽车天窗或侧窗打开时，车 厢内部空气对外界气流的一种声学响应。汽车风振噪声是一种低频率，高强度 的特殊气动噪声，低频是指频率在2 0 h z 左右，高强度是指声压级在1 0 0 d b 以 上。汽车风振噪声人耳虽然听不到，但是由它引发的脉动压力却使驾驶员或乘 客感到难受。例如：当一辆汽车以4 0 k m h 的速度行驶时，由天窗产生的风振 噪声一般会大于1o o d b 7 1 。因此，如何降低汽车天窗噪声已经成为当下研究人 员的一个重要课题。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外关于气动噪声的研究起步于2 0 世纪5 0 年代，当时的英国学者 l i g h t h i l l i s - 9 】在纳维一斯托克斯方程的基础上，推导出了l i g h t h i l l 方程。l i g h t h i l l 方程主要描述了流场参数与声波的直接关系，它同时也标志着气动声学从此诞 生，并且成为研究气动声学的基本方程。l i g h t h i l l 方程虽然描述了流场参数与 声波的关系，但是它只能用于自由的空间中，有着明显的局限性。1 9 5 5 年， c u r i e 1 0 】解决了l i g h t h i l l 方程只能在自由空间中使用的局限性，将其扩展到固 体、静止的边界中。c u r i e 解决这一局限性是利用基尔霍夫法将莱特希尔理论进 行了一定程度的推广，从此，像圆柱旋涡脱落产生的噪声以及静止物体处于湍 流中所引发的风鸣噪声之类的问题就可以用c u r i e 的理论进行研究。但是c u r i e 的理论依然有着局限性，它只能应用在静止的边界中。19 6 4 年，p o w e l l t l lj 提出 了著名的涡流发声理论，解释了湍流在运动时发出声音的原因。l9 6 9 年，f f o w c s w i l l i a m s 和h a w k i n g s 1 2 】两人将c u r i e 的理论进行再推广，得出了著名的f f o w c s w i l l i a m s h a w k i n g s 方程，这个方程是利用广义函数法对固体运动的边界进行 研究得到的。它不仅解决了湍流在运动边界中的发声问题，还得出了当流体遇 到运动的物体时，所诱发产生的噪声都是由单极子声源、偶极子声源以及四极 子声源三者相互叠加形成的结论。 前面的理论虽然都取得了较大的进展，但是他们都有一个共同的前提：必 须假定声音在静止的媒介中传播。后来g o l d s t e i n 1 3j 用格林函数的方法解决了这 一问题，他将l i g h t h i l l 方程的适用范围进一步扩大，得到了广义l i g h t h i l l 方程。 随着后来计算机技术的不断发展，用计算机来解决流体力学的方法也开始 变得具有可能性，于是就诞生了一个新的研究领域一一计算气动声学，它是从 气动声学中演变出来的，这也意味着气动声学问题可以开始进行数值仿真，而 不是只停留在理论研究上 14 1 。因此越来越多的人开始用数值分析的方法来解决 气动噪声问题，这也导致了气动声学被广泛应用到许多领域，像汽车工程、航 海工程以及航天工程。下面对国外研究汽车天窗噪声得到的成果进行简要的概 述。 2 0 世纪末期，国外开始对汽车天窗噪声进行仿真研究。1 9 9 4 年，o t a 1 5 等 人对二维汽车模型的天窗噪声进行研究，在网格上采用的是结构化网格，离散 方法上采用的是有限体积法，并且对该车型进行了道路实验，测得的实验数据 与仿真结果基本吻合。1 9 9 7 年，u k i t a l l 6 】等人采用结构化网格和有限体积法对 三维汽车模型进行了仿真分析，并且与水洞实验结果进行了对比，两者数据基 本吻合。 在接下来的几年中，由于计算机的迅速发展和c f d 技术的不断成熟，更多 的汽车厂家开始使用较为逼真的汽车模型来研究汽车天窗噪声。 2 0 0 1 年，k a r b o n 1 7 1 9 】等人使用较为接近实车的模型对气动噪声进行了仿真 分析，不同的是在网格方面，他采用了非结构化网格，并且把仿真结果与风洞 实验的测量结果进行对比，两者基本吻合。2 0 0 4 年，a n 2 0 - 2 1 等人对某款带有 天窗的s u v 车型进行了仿真分析，并根据仿真结果对导流板的参数进行了改 进，所得的仿真结果与实验数据基本吻合。然后a n 等人又提出了一种新的措 施来降低天窗气动噪声，即在汽车天窗前缘增加腔体，仿真结果显示：天窗气 动噪声得到了较好的控制。2 0 0 5 年，r e a da 2 2 1 等人利用c f d 中的声学模块， 再结合大涡模拟数值计算方法，得到了汽车天窗的振动噪声在1 0 0 h z 以上。 1 2 2 国内研究现状 国内关于汽车气动噪声方面的研究开始于上个世纪9 0 年代，由江苏大学葛 笔【2 3 。2 4 】等人首先对汽车气动噪声问题进行研究。他们通过进行风洞实验，对桑 塔纳轿车后视镜的压力场分布情况进行了探究，发现汽车侧窗位置的脉动压力 最大，并测出了当车速为9 0 k m h 时，汽车表面的脉动声压级最大为1 3 2 5 d b 。 2 0 0 0 年，吴立业 2 5 】对汽车车身表面压力分布以及流场速度分布进行了研究，并 且仿真结果与实验数据基本相同。2 0 0 1 年，陆森林 2 6 - 2 7 等人根据l i g h t h i l l 方程， 推导出了汽车外部气动噪声的积分公式，并运用相关理论对汽车外部气动噪声 的特性做了较为全面的分析，对其中的某些噪声进行了特性分析，仿真结果与 实验结果得到了很好的吻合。2 0 0 2 年，夏恒 2 8 - 3 1 】等人对汽车内部气流噪声的计 算方法进行了研究，并提出了一种新的算法，将统计能量法和边界元法相结合， 然后将这种新的算法应用到汽车内部噪声的预测中，结果表明：新的算法比统 计能量法和边界元法具有更高的精度。 此后，国内其他一些高校也开始涉足汽车气动噪声的研究，尤其近几年发 展迅速，并取得了一定的研究成果。 2 0 0 7 年，重庆大学袁瑞祥【32 】对汽车车门密封处的气动噪声进行仿真研究， 并在此基础上，应用声学类比方程探究了气动噪声的由来。同时还发现了涡团 在车门密封处的自激振荡过程，并对其中一个振荡周期进行了分析。2 0 0 8 年， 吉林大学杨博【33 】对汽车气动噪声的流程做了标准性的研究，提出了子域气动噪 声的数值算法：先通过稳态模型来研究汽车外部流场，确定噪声源的位置，然 后划分计算子域，对该处的网格进行细化，再进行瞬态计算，然后将得到的数 据通过f f t 得到噪声频谱。这个方法的优点是计算快，精度高。同年，河北工 业大学王志亮c 3 4 对前挡风玻璃进行了气动噪声分析，得到了气流经过a 柱后的 速度、压力梯度变化情况。2 0 0 9 年，同济大学陈枫【35 j 对汽车后视镜的气动噪声 进行了研究。她以大涡数值模拟为基础，对非结构化网格进行求解，研究了普 通后视镜的不同参数对汽车车身表面压力的影响，由此证明了用计算流体力学 来研究汽车后视镜气动噪声的可行性。 随着对汽车气动噪声研究的不断深入，学者们在关注汽车外表面气动噪声 的同时，也开始关注汽车天窗气动噪声，并取得了一些阶段性的成果。 2 0 0 6 年，杨娟【3 6 】使用大涡数值模拟方法对某空调汽车进行了气动噪声的研 究，得到的结果与实验结果基本吻合。2 0 0 7 年，谷正气p7 】等人对目前汽车风振 噪声的c f d 研究进行了归纳和总结，并建议希望有更多的学者去研究汽车天窗 风振噪声。2 0 0 9 年，黄磊【3 8 】通过实验发现，网状挡风条可以有效降低汽车天窗 噪声，尤其是天窗风振噪声，同时还减小了工程的开发复杂度。2 0 1 0 年，汪恰 平【3 9 】等人采用在汽车天窗处安装带有凹槽的导流板以及优化其安装角度，发现 监测点处的声压级降低了2 3 d b ，说明这种方法很好的降低了天窗气动噪声。同 年，康宁【4 0 】等人使用f l u e n t 软件对g o l f l 6 轿车内部流场进行了研究，并对驾 驶员左耳附近监测点处的噪声进行监测，得出了当汽车天窗后移及加宽时，监 测点处的声压级会逐渐降低的结论。2 0 10 年，胡亚涛 4 1 - 4 2 等人对汽车天窗噪声 进行分析，发现天窗气动噪声主要在天窗附近以及天窗后缘的位置，并且通过 缩小的比例模型得出风振频率在1 0 0 h z 左右，即实车模型风振频率应该在2 0 h z 左右。 1 3 本文研究内容 根据前面介绍可以看出，汽车天窗噪声以及天窗风振噪声都是汽车气动噪 声的一种。本文主要研究如何控制低速行驶下由汽车天窗产生的气动噪声及风 振噪声，具体如下： ( 1 ) 理解有关气动声学方面的知识，并对声学三大基本方程一一l i g h t h i l l 方程、l i g h t h i l l - - c u r i e 方程以及f f o w c sw i l l i a m s - - h a w k i n g s 方程熟练掌握和 灵活应用，为后续的研究工作打下基础。 ( 2 ) 建立汽车的简化模型，在建模过程中，考虑到实际建模情况和c a e 分 4 析，忽略和简化了一些对汽车天窗噪声没有影响的外凸装置( 如：排气管、门把 手、后视镜以及雨水槽等) 和复杂曲面( 如：将汽车底面简化成一个平面) 。然后 选择合适的湍流模型，对汽车天窗进行数值模拟，分析仿真结果。 ( 3 ) 改变汽车天窗的开口大小，然后分析不同的天窗开启面积对天窗噪声 的影响。 ( 4 ) 在汽车天窗前缘增加腔体，构成一个双腔结构的天窗，然后进行仿真 分析，研究增加的腔体对天窗气动噪声是否有抑制作用。并设计一个对比仿真， 将参考文献中提到的腔体和本文中的腔体进行对比，看哪种腔体的降噪效果更 好。 ( 5 ) 对汽车天窗在车顶的位置进行初步探究，看不同的摆放位置对天窗噪 声的影响程度。 1 4 本章小结 目前，汽车气动噪声已经成为汽车行驶在道路上的主要噪声源之一，并且 随着越来越多的汽车配备天窗，由汽车天窗引起的气动噪声问题也开始逐渐引 起人们的关注。在过去几十年中，国内外许多学者对气动噪声都做了大量的研 究，取得了很多的成果。本章对其中一些较为重要的研究成果做了一些概述， 并在分析和总结前人结论的基础上提出了本文的研究内容。 第二章汽车的气动噪声分类和研究方法 在一个理想声源模型的流场中，声源主要分为以下三种：单极子声源、偶 极子声源以及四极子声源【4 引。而对于汽车气动噪声来说，一般只考虑偶极子声 源，忽略其他两种声源。本章以气动声学的基本方程为理论基础对汽车气动噪 声进行研究。在实验方面，介绍了两种测量汽车气动噪声的方法；在数值分析 方面，介绍了三种湍流数值模拟方法，结合本文研究内容，选取其中一种( 大涡 数值模拟) 作为仿真分析的模拟方法，并对这种数值模拟方法的实现流程进行了 简要的概述。 2 1 汽车气动噪声的分类 2 1 1 单极子声源 单极子声源是指当脉动球的半径比声波波长小很多时，辐射只与其体积振 动速度有关。像球形的炸弹爆炸，爆炸时产生的振动使空气发生膨胀，然后又 使空气同时收缩，这样就在空气中产生了分子疏密不同的分布，以声源( 炸弹) 为中心对称，向外辐射能量并伴有声音向外传播，这就是单极子声源。典型的 单极子声源还有很多，像液体沸腾时飞溅出的小液滴；发动机排气管，其噪声 的声波波长远远大于排气管的直径，也可以认为是单极子声源，它们的点源都 属于振动质量流。单极子声源的指向性是一个圆形的球体，同脉动球一样，产 生同相位的声波波阵面。其辐射声功率既表达式为： 既芘p 2 v 4 d 2 p o e ( 2 1 ) 其中：既是单极子声源辐射声功率，v 是速度，d 是在流动方向上的截面积区 域，p 。是环境介质密度，c 是介质中的声速。 单极子声源声压与流场平均速度的四次方成比例关系，即速度增加2 倍时， 声压增加1 2 d b ；当流场面积增加2 倍时，声压增加6 d b 。当流场平均流量与单 极子的振动流量之比发生变化时，会对雷诺数产生影响。当声源振动的振幅增 加2 倍时，声压增加6 d b ；振动频率增加2 倍时，声压也增加6 d b 。 2 1 2 偶极子声源 偶极子声源是由两个很近且相位差为18 0 。的单极子声源组成。这两个单 极子声源向内部及向外部的流动相同，它们沿轴成放射状运动，具有声场的最 大指向性。在与轴的垂直中心处，声压为零。偶极子声源属于力声源的一种， 像两股围绕的交叉音，指向为“8 ”字型。其辐射声功率表达式为： 6 坐孚 p o c ( 2 2 ) 式中：是偶极子声源辐射声功率，其他符号含义与公式( 2 1 ) 相同。 偶极子声源声压与流场平均速度的六次方成比例，当速度增加2 倍时，声 压增加1 8 d b ；当流场面积增加2 倍时，声压增加6 d b ；当振动流量的振幅增加 2 倍时，声压增加6 d b 。 2 1 3 四极子声源 当声源中只有粘滞力辐射声波，而没有障碍物的存在，也没有其他能量的 加入时，就形成了四极子声源。最常见的四极子声源像排气量较大的排气管， 它是由两个偶极子声源构成，并且这两个偶极子相位不同，指向为“四瓣”型。 其辐射声功率呒表达式为： 芘丛p o 孚c ( 2 3 ) 式中：呒是四极子声源辐射声功率，其他符号含义与公式( 2 1 ) 相同。 现实中存在的声源大部分都是四极子声源，特别是在高速状态下，四极子 声源的比例更大。四极子声源声压与流场平均速度的八次方成比例，当速度增 加2 倍时，声压增加2 4 d b ；当流场面积增加2 倍时，声压增加6 d b ；当振动流 量的振幅增加2 倍时，声压也增加6 d b 。 下面对三种声源的描述、实例以及它们的源运动、流场、声场进行归纳， 见表2 1 及2 2 所示： 表2 1 声源分类 声源名称 描述 实例 一般速度下的 单极子声源振动质量流的点源 发动机排气管 由两个相距很近，但间隔远小 于波长，强度相等，且相位角 偶极子声源 差1 8 0 。的单极子源组成的 旋转的螺旋桨 声源 由两个相位不同的 四极子声源排气速度较大的排气管 偶极子声源组成 表2 2 声源图示 点源名称源运动流场声场 单极子 泓 体积脉动i 偶极子 。叶o蒜 质心摆动 。n 凝 ，1 四极子 o = o c 以) u 、 2 1 4 汽车气动噪声机理 通过对上面三种声源公式的比较发现，它们的声功率与速度的次方成正比， 也就是说通过降低流体的速度就可以减小噪声。而对于汽车气动噪声来说，只 要考虑偶极子声源，其原因有以下两点： ( 1 ) 单极子声源强度和汽车表面水平方向速度有关，是可以忽略不计的； ( 2 ) 四极子声源强度与偶极子声源强度的关系可以下式来表达： 生芘讹z id ( 2 4 ) 通过公式( 2 4 ) 可以看出：当汽车行驶在公路上时，行驶速度一般低于o 2 m a ， 所以四极子声源也可以忽略的。 综上所述，汽车气动噪声主要来自于偶极子声源，如果降低了偶极子声源， 就降低了汽车气动噪声。根据前人对汽车气动噪声的研究成果可以发现，诱发 汽车气动噪声的主要原因有以下三种：密封不良、二维分离流动以及三维分离 流动【44 | ，见表2 3 。 表2 - 3 汽车车身气动噪声分类 产生原因名称主要位置 车门、车窗的 密封不良泄漏噪声 密封位置 收音机天线 气动噪声 风鸣噪声 车顶行李架 二维分离流 边缘噪声 发动机罩前缘 空腔共鸣噪声天窗或侧窗的开启 三维分离流风激励噪声a 柱与后视镜 从上表可以看出，汽车天窗所产生的噪声是由于二维分离流动引起的，属 于空腔共鸣噪声。它的主要特点是在低频范围内存在噪声峰值和特定频率，属 于窄频域噪声；而三维分离流动产生的气动噪声虽然能量主要集中于低频范围， 但一般不会产生风振噪声的特定频率，所以属于宽频域噪声【4 5 1 。 汽车的外部流场属于一种低马赫数流动，偶极子声源是其主要的噪声声源， 根据汽车表面压力尸对时间导数t 进行积分可以求出汽车外表面声压，公式如 ( 2 5 ) 所示： p 一睁s ( 2 5 ) 偶极子的噪声强度肘可以用特征长度三、应用速度u 来表示，如公式( 2 6 ) 所示： 胁( 群搬) 2 c u 2 u l ) 2 _ 旷r 圳s 亿6 ， 这个公式表明：声强度尉与噪声源面积s 、流场速度u 的六次方成正比关 系，同时也可以看出，用数值方法预测气动噪声是否可行主要决定于是否有精 确的瞬态流场。 汽车的气动噪声声源如图2 1 所示： “ 窑腔筵鸣噪声( 风叛) 图2 - 1 汽车车身外表面主要气动噪声声源示意图 ( 1 ) 边缘噪声：当气流经过车身某些不平滑的曲面或者某些不规则的棱角 时，就会产生边缘噪声。因此，一般情况下为了避免产生边缘噪声都会对汽车 车身进行平滑过渡处理。 ( 2 ) 风鸣噪声：当空气中的气流经过一些细长的物体( 比如：汽车的收音机 天线或某些车型顶部的行李架) 时，会在尾流处出现周期性的卡门涡，由此而产 生的气动噪声就是风鸣噪声，它属于低频域噪声的一种。一些汽车厂家为了减 小风鸣噪声，会对收音机天线进行改装。例如：将天线折叠成梯形形状或者在 原有的天线上添加螺旋线，这样就可以有效的改善风鸣噪声。 ( 3 ) 风激流噪声：当空气经过汽车表面时，气流是以一种湍流的形式存在 的，而湍流本身可以通过脉动，产生向四周辐射的噪声。同时，湍流脉动还会 引发车身板件和车窗的振动，从而发出噪声并向车内传递。后视镜和a 柱区域 是风激流噪声比较严重的区域，因为此处气流速度要比其他地方高出很多，同 时三维分离流动还会产生强度较大的压力脉动，这种压力脉动主要集中在汽车 侧窗和项部的区域。风激流噪声是由于三维分离流动而产生的，属于宽频带噪 ：j = 尸o ( 4 ) 空腔共鸣噪声：当汽车内部静止的气体碰到外部流动的气流时会相互 作用，并在开口处产生剪切层流动。如果汽车车厢内外空气速度差达到或者超 过某个临界值时，就会在开口处产生个周期性的涡流，当涡流的频率和车内 固有频率达到一致时，就产生了空腔共鸣噪声。 汽车空腔共鸣噪声的典型例子是开启侧窗或天窗。当汽车打开侧窗并以 1 0 0 k m h 的速度行驶时，产生剪切层流动的频率在4 5 h z 左右，而大部分汽车驾 驶室的固有频率在4 0 一5 0 h z ，两者频率基本保持一致，此时就会产生一种低频 率、高强度的气动噪声，虽然人耳并不能直接听到或者感觉到低频噪声，但是 1 0 低频噪声却容易使驾乘人员产生烦躁和难受的感觉。对于如何减小汽车天窗的 空腔共鸣噪声，则可以通过计算机仿真和做实验的方法来寻找、避开可能会产 生共鸣区的天窗位置，也可以对汽车天窗结构进行改进，比如：在天窗前缘设 置导流板以及调整导流板的高度、安装角度，以减小汽车天窗产生的空腔共鸣 噪声。本文将对汽车天窗引起的气动噪声做详细研究。 ( 5 ) 泄露噪声：一般产生于汽车内部和外部有着直接气流流动的情况下， 像车窗或车门密封性不好都会产生泄露噪声。当汽车行驶在路上时，汽车内外 的空气压力并不相等，存在着一定的压力差，而正是由于汽车内外的压力差导 致了外面空气会以较高的速度从汽车缝隙中流过，产生了泄漏噪声。泄露噪声 一般是构成汽车气动噪声的主要组成部分，所以在消除气动噪声之前，要先消 除泄露噪声。当前生产的乘用车密封性能一般都比较好，大部分泄漏噪声还可 以通过改进车门、车窗的密封性来消除。 2 2 汽车气动噪声的研究方法 2 2 1 理论基础 ( 1 ) 流体运动的基本方程1 4 刨 流体在流动时会充满整个空间，因此一般情况下，我们将流体看成是连续 的介质。对于牛顿粘性流体，有以下三个控制方程，分别如下所示： 质量控制方程： 动量控制方程： 能量守恒控制方程： 等+ v ( 肛) ：o 西 ”7 百o ( p u ) = 一跏+ v f ( 2 7 ) ( 2 8 ) p 瓦d e 却”形+ b + q v + 咖+ 害 ( 2 9 ) 式中：p 为流体密度；t 为时间；“为速度矢量；v 为h a m i l t o n 算子，定义为： v ：f 0 + 三+ k 兰；为体积力；p 为压力；f 为流体应力张量，表达式为： 咖o x 咖， 。啦v 叶0 考+ 詈 ；五为流体第二粘度；为动力槭磊为克朗 内克万函数；e 为流体内能。 当我们在研究汽车气动噪声时，一般把空气当成理想气体，所以公式( 2 9 ) 每项可以表示为： d e = c p d t q = 一网t k 碱ac a u j - + 毒刳 耻书融抑) 呻。( c 3 u 鼍 等 p = p ( p ，t ) = 脚0 丁 ( 2 1 0 ) ( 2 i i ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式中：c p 为定压比热；t 为温度；虿为热通量：k 为导热系数；氓为粘性力做 功；反为动能；为耗散功；q 为流体热量的增量；为气体的常数。 此时，我们假设p 为运动中流体的平均压力，p 。为某一点的压力，则有： p 。一万= ( 兄+ ；) v = ，v 跖 c 2 6 ， 式中：。为容积粘度。 容积粘度2 。一般都是很小的值或者为0 ，所以当假设。恒为0 时，则有： 2 九2 。= j 1 2 ( 2 1 7 ) 将上式( 2 1 7 ) 代入到式( 2 8 ) 中，可以得到： p 警= 店一若( p + ；胛“) + 专 。叙a u ，, + 等 c 2 m ， 上式即为流体力学中著名的n s ( 纳维一斯托克斯) 方程，也是流体力学中 最基本的方程之一。 ( 2 ) l i g h t h i l l 声波动方程【4 7 】 l i g h t h i l l 方程是根据纳维一斯托克斯方程推导出来的，它表述了气流在运 动时引发的噪声问题。 等仲y = 暴 乃= p u ，“+ ( p - p 。) 岛一磊( p 一风) 岛 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 其中：瓦表示l i g h t h i l l 张量；( p p o ) 表示流场压力脉动量；( p 一, co ) 表示流体 密度波动量；瓯表示单位张量；c 。表示声速。 19 5 5 年，l i g h t h i l l 研究出了流体在流动时诱发声音的声波方程。实际上， 当强度为瓦的四极子声源在静止媒介中受到单位体积扰动时，与流体产生的噪 声是完全相同的，但是l i g h t h i l l 方程的前提条件是在没有边界的自由空间中。 从数学理论上来说，l i g h t h i l l 所创建的声波动方程可以获得数值解或者解析解， 但是必须要形成一个封闭的方程组。然而，得到数值解或解析解并不是一件很 容易的事，它的成立仅仅是理论上的。因为要想得到数值解，必须要满足两个 条件：一是确保( p 一风) 具有高精度；二是保证方程解具有收敛性。但是l i g h t h i l l 声波动方程属于远场噪声，它对空间要求很大，而且本身又是极小量，所以要 想得到数值解还是很困难的。至于解析解，l i g h t h i l l 声波动方程本身就是非线 性，再加上方程又非常复杂，所以目前也不具备求出它的解析解。但是并不能 因为l i g h t h i l