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汽車(chē)氣動(dòng)噪聲分析的一般流程

2019-03-24 15:15:32·  來(lái)源：易萌森戈CAE工作室  作者：黃森  
　
汽車(chē)的噪聲水平是其重要性能參數(shù)之一，是影響車(chē)內(nèi)舒適性的主要因素,是人們判斷汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)依據(jù)。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)今時(shí)代，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)公司歷來(lái)
汽車(chē)的噪聲水平是其重要性能參數(shù)之一，是影響車(chē)內(nèi)舒適性的主要因素,是人們判斷汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)依據(jù)。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)今時(shí)代，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)公司歷來(lái)十分重視對(duì)汽車(chē)噪聲控制技術(shù)的研究并逐年加大資金投入。行駛中的車(chē)輛，噪聲包含有多種成分，如發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，輪胎噪聲以及氣動(dòng)風(fēng)噪聲等等。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，車(chē)輛噪聲控制在不同時(shí)期具有不同的研究重點(diǎn)：在控制車(chē)輛噪聲初期，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，傳動(dòng)系噪聲和底盤(pán)噪聲等曾是車(chē)輛噪聲控制的研究重點(diǎn)，經(jīng)過(guò)汽車(chē)工程師多年來(lái)的努力，這種機(jī)械噪聲逐步得到了控制。后來(lái)，人們又發(fā)現(xiàn)當(dāng)車(chē)輛在較高速度下行駛時(shí)，輪胎噪聲變得和其它噪聲同等重要，同樣經(jīng)過(guò)人們的不斷改進(jìn)，輪胎噪聲情況也極大地改善。近些年來(lái)，隨著車(chē)輛性能的提高以及高等級(jí)公路的建設(shè)，車(chē)輛的速度越來(lái)越快，車(chē)輛外流場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲以車(chē)速的六次方的數(shù)量增長(zhǎng)，因而，當(dāng)車(chē)輛的其它噪聲得到有效的控制后，車(chē)輛的氣動(dòng)噪聲就變得尤為重要了。七十年代，研究人員發(fā)現(xiàn)，車(chē)速為70km/h的情況下，氣動(dòng)噪聲的范圍為62～78dB(A)，而在速度為110公里km/h的情況下，氣動(dòng)噪聲的范圍達(dá)到80～90dB(A)。新的研究指出，車(chē)速超過(guò)100km/h，氣流噪聲對(duì)車(chē)外噪聲的影響已超過(guò)了其它噪聲，而目前高速公路上的車(chē)速大多超過(guò)100km/h。
圖1
汽車(chē)風(fēng)噪聲的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，高速行駛中的汽車(chē)和空氣發(fā)生相互作用，在汽車(chē)外部形成復(fù)雜的繞流場(chǎng)。由于汽車(chē)的復(fù)雜外形，氣流流動(dòng)多是不平順的，在汽車(chē)大的拐角處都會(huì)發(fā)生氣流分離的現(xiàn)象，形成復(fù)雜的渦流流動(dòng)，正是這些復(fù)雜的渦流流動(dòng)產(chǎn)生了很高的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)了極大的噪聲，噪聲的研究是與湍流的研究緊密相關(guān)的，湍流的形成與汽車(chē)外形有著直接的關(guān)系：汽車(chē)外形存在大的拐角，如車(chē)頭、尾及兩側(cè)等，氣流容易發(fā)生分離，氣流發(fā)生分離后，在流場(chǎng)中形成復(fù)雜的非定常渦；汽車(chē)外表面有后視鏡、雨刷、流水槽和裝配縫隙，下部有車(chē)輪、懸架、排氣管等復(fù)雜的底部結(jié)構(gòu)，所有這些都暴露在空氣中，導(dǎo)致氣流流動(dòng)不平順，在旋轉(zhuǎn)車(chē)輪周?chē)?，?chē)底與地面之間，后視鏡附近等部位形成渦流流動(dòng)；同時(shí)，車(chē)身表面部分氣流分離后又重新附著在車(chē)身上，形成附著流動(dòng)。這些湍流是由各種不同尺度的渦疊合而成，這些渦流的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。大尺度的渦主要由流動(dòng)的邊界條件所決定，是引起低頻脈動(dòng)的原因；小尺度的渦主要是由粘性力所決定，其尺寸可能只有流場(chǎng)尺度的千分之一量級(jí)，是引起高頻脈動(dòng)的原因。大尺度的渦破裂后形成小尺度的渦，較小尺度的渦破裂后形成更小尺度的渦。因而在湍流區(qū)域內(nèi)，流體渦的尺寸可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)地變化，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)在一定范圍內(nèi)持續(xù)變化。因此在不同的時(shí)刻，風(fēng)噪聲隨著湍流的變動(dòng)而不同。
 
  氣動(dòng)噪聲是由于氣流流過(guò)車(chē)體表面引起的氣流壓力擾動(dòng)產(chǎn)生，它起因于氣體內(nèi)部的脈動(dòng)質(zhì)量源（單極子噪聲源）、作用力的空間梯度（偶極子噪聲源）和應(yīng)力張量的變化（四極子噪聲源）。車(chē)輛80km/h以上高速行駛時(shí)氣動(dòng)噪聲成為整車(chē)的主要噪聲源,特別是新能源汽車(chē)，沒(méi)了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的遮蔽，風(fēng)噪問(wèn)題更加突出。汽車(chē)車(chē)內(nèi)感受到單極子聲源主要是通過(guò)車(chē)窗密封泄露的噪聲，分為靜態(tài)密封及動(dòng)態(tài)密封。 在車(chē)內(nèi)感受到雙極子聲源主要為汽車(chē)表面的非定?？諝鈩?dòng)力脈動(dòng)引起，與汽車(chē)表面的形狀密切相關(guān)。在頻率上分為兩種噪聲，一是空氣動(dòng)力脈動(dòng)直接通過(guò)頂窗或側(cè)窗開(kāi)口與車(chē)內(nèi)空氣空腔作用，產(chǎn)生低頻風(fēng)振；二是空氣動(dòng)力脈動(dòng)通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)，尤其是噪聲比較薄弱的玻璃部位，把噪聲導(dǎo)入車(chē)內(nèi)，這樣產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為風(fēng)激噪聲，頻率通常在500Hz以上。
圖2聲源的簡(jiǎn)化
 
聲場(chǎng)是流場(chǎng)的組成部分，本質(zhì)是非定常的壓力脈動(dòng)，要對(duì)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析，首先得基于CFD求解流場(chǎng)，導(dǎo)出CFD流場(chǎng)數(shù)據(jù)CGNS文件，在湍流模型選取時(shí)建議選取DES分離渦模擬法,LES大渦流法或者瞬態(tài)雷諾應(yīng)力平均模型，urans模型僅能捕捉到低頻的窄帶信號(hào)。進(jìn)行氣動(dòng)噪聲分析前，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，在計(jì)算收斂以后以此為初值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。
圖4CFD表面壓力求解
 
如圖將流場(chǎng)區(qū)域的入口設(shè)置成速度入口；出口設(shè)置成壓力出口，出口表壓為零；底面和車(chē)身表面均設(shè)置成無(wú)滑移壁面；其余側(cè)面設(shè)置成對(duì)稱(chēng)面, 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果引入了整體時(shí)間的平均消除了瞬態(tài)的影響。而對(duì)于車(chē)身表面的渦運(yùn)動(dòng)及流體脈動(dòng)，還需以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為初值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，在瞬態(tài)求解參數(shù)的設(shè)置中，將壓力速度耦合方式改為PISO格式，這種方式更利于瞬態(tài)求解的收斂。方程格式均選為二階以保證求解精度。時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置,可以按照公式 t =典型網(wǎng)格尺寸/特征流速估算，或者選擇能解析小流動(dòng)特征的時(shí)間步。鑒于研究的氣動(dòng)噪聲屬于高頻噪聲，為使分析頻率達(dá)到5000Hz，將固定時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為 0.0001s。迭代步數(shù)設(shè)為2500步。在FLUENT中得到的瞬態(tài)流場(chǎng)信息中包含著車(chē)身表面的脈動(dòng)壓力信息。
圖4風(fēng)噪計(jì)算基本流程
下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子對(duì)汽車(chē)風(fēng)噪計(jì)算的基本流程進(jìn)行簡(jiǎn)介：
（1）對(duì)車(chē)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，計(jì)算0-200Hz范圍內(nèi)的模態(tài)
圖5結(jié)構(gòu)網(wǎng)格
（2）對(duì)聲腔模態(tài)進(jìn)行求解
圖6
（3）導(dǎo)入流體壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)
圖7
(4)流體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，將從CFD分析軟件計(jì)算的流體壓力轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)如果CFD網(wǎng)格與所映射的網(wǎng)格一致則直接使用普通的映射方式，如果不一致采用無(wú)能量損失應(yīng)映射法進(jìn)行映射。
圖8
（5）導(dǎo)入場(chǎng)點(diǎn)
圖9
（6）導(dǎo)入結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和模態(tài)結(jié)果
圖10
（7）導(dǎo)入聲腔網(wǎng)格和模態(tài)結(jié)果
圖11
（8）進(jìn)行基于模態(tài)的聲振耦合計(jì)算
圖12
分別應(yīng)用結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲腔網(wǎng)格之間的映射關(guān)系
（9）進(jìn)行求解計(jì)算，得到車(chē)內(nèi)聲壓云圖
圖13
（10）計(jì)算聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)
圖14 72km/h的聲壓曲線(xiàn)
圖15 144km./h的聲壓曲線(xiàn)
得到聲壓級(jí)曲線(xiàn)后可以對(duì)整個(gè)頻帶內(nèi)的總聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)算。
各頻帶計(jì)算總聲壓級(jí)的計(jì)算公式為：
其中 Pi L 為第 i 個(gè)帶寬內(nèi)中心頻率處的聲壓級(jí)， P L為總聲壓級(jí)。根據(jù)此公式可以對(duì)聲壓級(jí)頻譜進(jìn)行求和計(jì)算。
對(duì)風(fēng)噪進(jìn)行求解可以采用有限元法和邊界元法進(jìn)行計(jì)算，后續(xù)博文將陸續(xù)對(duì)風(fēng)機(jī)、管道噪聲分析相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解，敬請(qǐng)關(guān)注！
 
相關(guān)溝通和資訊可以關(guān)注微信號(hào)samhuang2008或者郵件huangsen008@163.com 
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