精选-基于声波分离的某轿车CFD数值模拟与验证

1、1引言车辆的噪声源归结起来主要为机械噪声、轮胎-路面噪声以及气动噪声。一般在车速较低时，气动噪声水平很低，会被机械噪声、轮胎 -路面以及环境噪声掩盖。而车速达到100km/h或更高时，气动噪声的影响越来越显著，并成为最主要的噪声源。国际知名汽车咨询公司J.D.Power的汽车满意度调查报告显示，消费者抱怨最多的就是风噪声过高。因此研究和降低气动噪声己成为控制高速车辆噪声的 关键之一 1。一般来说，因车体外部空气流动而产生的车内噪声称为“风噪”。“风噪”主要由两个激励引起：湍流脉动压力(Aerodynamic Wall Pressure Fluctuations )和声学脉动压力(Acousti

2、c Wall Pressure Fluctuations);这两种激励对“风噪”的贡献形式是截然不同的。湍流脉动压力通过与车身结构的耦 合作用，产生噪声，然后传递到人耳，而车外涡流脱落和剪切所产生的声学脉动压力是直接传递到人 耳的。目前，汽车风噪研究主要集中在车外湍流脉动压力对车内噪声的影响上，而关于车外声学脉动 压力的研究则相对较少。本文采用分离涡模拟(Detached Eddy Simulation, DES)方法对某轿车外部流场进行瞬态模拟，并进一步采用声波分离技术，获得了轿车后视镜、A柱附近的湍流脉动压力 及声学脉动压力。通过风洞试验 对侧窗上的15个监测点的湍流压力脉动进行监测，了解

3、了 CFM真结果与风洞试验结果对比的精度。2数值计算分析2.1 理论基础随着计算机水平的提高以及计算流体力学方法的逐步完善，湍流的数值模拟日益成为人们研究湍 流的一项重要工具，目前，数值预测湍流的方法有：直接数值模拟( DNS,大涡数值模拟(LES),分 离涡模拟(DES以及雷诺日t均模拟(RANS。DNSg拟直接用瞬时Navier-Stoke方程对湍流进行求解，对湍流不作任何简化或近似。但是，这 种方法对计算机内存空间和计算速度的要求非常高，在现有的计算机技术条件下难以满足，因此还无 法应用于实际的工程计算。RANST法通过雷诺平均能较准确模拟出紊流附面层内的无分离及小分离的 紊流流动，所需

4、的计算网格数量小，耗费的计算资源及时间都较少。但对于流场存在大尺度涡的紊流流 动，这种方法得到的结果有一定的局限性。LES方法是采用Navier-Stokes方程直接计算网格尺度大的湍流运动，小尺度涡对大尺度运动的影响通过建立湍流模型来间接模拟。但是，大涡模拟方法对网格 精度的要求也非常高，其数值模拟需要的网格一般都在几千万以上甚至上亿2。从上述湍流方法的模拟特征上可以看出，若在紊流附面层内采用RANST法而在其他区域采用LEST法，就可以把计算时间和计算资源大大降低，所得到的计算结果与RANS目比会有所改善。DEST法就是 基于该思想，把RANST法及LEST法结合起来的模拟有脱体涡的紊流流

5、场的数值模拟方法。其主要思想 是在紊流附面层内采用RANST法通过雷诺平均假设模寸附面层内的紊流流动，在其他区域采用LEST法模拟脱体涡运动网。由于对气动噪声仿真是一个非稳态的过程，结合上述湍流方法的模拟特征，本文采用DE蹴值模拟对汽车瞬态流场进行仿真分析。2.2 几何模型的建立本文使用的模型为某轿车车辆，由于模拟的是气动噪声分析工况，需要建立轿车车身模型。车身 模型保留了轿车的多数细节特征，包括格栅、密封条、门把手等；在不影响计算精度的情况下，对SUV 模型底盘部分采用了平滑处理，用简化的车轮替代了真实的轮胎结构，基本保证了模型与实车的一致。2.3 计算域的确定仿真采用的计算域为包围车辆模型

6、的长方体，长约为11倍车长，其中车辆车头距计算域入口为3图2监测点位置示意图倍车长；宽约为12倍车宽；计算域高约为8倍车高，如图1所示。与风洞试验对应的监测点布置于驾 驶员侧的侧窗玻璃上，如图 2所示。图1计算域示意图2.4 网格划分考虑到车辆复杂的几何外形，选用贴体性能较好的四面体网格进行网格划分。对车辆表面的敏感区（具有气流分离等特征的区域）设置较小的网格，对后视镜、A柱周围的核心区域使用大小为2mm的加密体积进行加密。为了准确模拟车身表面的附面层，在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格以 满足壁面函数的需要。由于车轮接地处有非常小的夹角，导致此处网格质量很差，影响整个流场计算的精度。为了解

7、决这个问题，用10mm®的小立方体取代车轮与地面相接处的10mm厚度。由于立方体很小，对整个流场计算的影响可以忽略不计。而且采用这种方法，既改善了车轮接地处的网格质量，又模拟了车轮的承 载变形。2.5 边界条件的设定由于数值模拟是在有限区域内进行，因此在区域的边界上需要设置与实际情况相符合的边界条件。本文仿真模拟计算域边界条件的设置如表1所示。表1计算域边界条件设置ftg边界条件设置入口Velocity Inlet出口Pressure Outlet地面Wall (no slip)车身Wall (no slip)顶面及侧面Wall (slip)2.6 计算方法在进行瞬态求解之前，首先利

8、用Realizable k-e湍流模型进行稳态求解，迭代步数为 3000步。当流场稳定后将稳态结果作为瞬态求解的初始值，采用DES进行瞬态求解。瞬态求解的时间步长为2.5E-5S。计算总时间为0.35s。由于流场有一个波动到稳定的过程，声波计算的采样时间从 0.2s开始3 CFD分析结果由于湍流声压和声学声压在不同频段上有能量大小的区别，同时考虑在不同频段，湍流声压和声学声压对车内声压贡献的差异，如在中高频段，声学声压更容易穿透侧窗玻璃进入车内。因此，需要 将湍流脉动压力和声学脉动压力进行分离，在气动噪声设计时分别进行考虑。3.1 监测点分析结果以监测点point1-1 为例，点上的湍流脉动压

9、力和声学脉动压力如图3所示。从图上可以看出，point1-1的声学脉动压力幅值约为 2pa,远远小于湍流脉动压力，湍流脉动压力的幅值约为200pa。-nt-nt-<1,图3监测点1-1湍流脉动压力及声学 脉动压力图将监测点point1-1的湍流脉动压力和声学脉动压力进行傅里叶变换，得到监测点point1-1的湍流声压和声学声压，如图 4所示。从图中可以看出，当频率在 5000Hz以下时，湍流声压远大于声学声 压；随着湍流声压的不断衰减，当频率超过5000Hz时，声学声压逐渐超过湍流声压，占据了噪声的主要能量。图4监测点1-1湍流声压及声学声压频谱图3.2 后视镜、A柱区域结果分析图5为瞬

10、态仿真下随时间变化的后视镜、A柱区域声学脉动压力云图。 从云图中可以看出，声学脉动压力在后视镜和 A柱后方向四周扩散传播，且压力的数值很小。图5后视镜、A柱区域声学脉动压力云图图6和图7分别为后视镜、A柱区域截面中高频湍流声压和声学声压云图。从图中可以看出，湍流声压在中高频的贡献逐渐下降，而声学声压在中高频的贡献逐渐增加。5000Hz8000Hz6二6:34,00096.0003000Hz4c£阳3000Hz5000Hz8000Hz图6后视镜、A柱区域截面中高频湍流声压云图56.00QS4.00072.00080.000图7后视镜、A柱区域截面中高频声学声压云图4风洞试验验证3个，1

11、5个监为了尽可能降低测点布置位置和测点走线对风洞流场的影响，每次试验测试布点为测点共分五组进行测试。图 8为侧窗表面监测点试验布置示意图。图8侧窗表面监测点试验布置示意图由于湍流脉动压力在数值量级上远大于声学脉动压力，风洞试验测试中监测点得到的压力信号为湍流脉动压力信号，因此将监测点的风洞试验结果采用傅里叶变换后与CFD仿真得到的湍流声压进行对比，监测点试验与仿真总声压级的误差对比结果如图9所示。从图中可以看出，监测点 1-1、1-2以及4-1三个点试验与仿真总声压级差别较大，分别为3.5dB、3.4dB和4.8dB,其余十二个点试验与仿真总声压级误差都在 3dB以内。选取总声压级差别在 频谱图试验与仿真的对比。 值上与试验有一定的区别,I 1 I p I 1 I 1 I 11 I p I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I1-1 iw 1-3 1-4. 34 a M 23 LU 月.1 H 4“ 7 poinh图9监测点总声压级试验与仿真对比3dB以内以及3dB以上的两个监测点对比频谱图。图10为监测点1-1以及2-1从图中可以看出，点 1-1频谱图仿真结果在趋势上与试验吻合较好，但数其总声压级试验与仿真也差距较大；点2-1频谱图仿真结果在趋势和数值上与试验均吻合良好，其总声压级试验与仿真差距很小。图10监测点1-1 （左