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后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對氣動噪聲的影響

2020-01-01 17:36:46·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實驗室  
　
轉(zhuǎn)自：中汽中心空氣動力學(xué)實驗室

隨著消費者對汽車舒適性要求的提高，汽車氣動噪聲作為汽車舒適性的重要評價指標(biāo)，已引起汽車生產(chǎn)廠商及學(xué)者的高度關(guān)注。汽車后視鏡作為汽車表面突出物，成為汽車在高速行駛時的主要噪聲源之一[1]。本文選取后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式這一關(guān)鍵參數(shù)，研究后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對汽車氣動噪聲的影響。

三種鏡柄分別為船型鏡柄、矩型鏡柄和前凸型鏡柄。為保證對比性，三種鏡柄后視鏡模型除鏡柄結(jié)構(gòu)形式不同外，鏡柄厚度、鏡殼尺寸、后視鏡正投影面積等參數(shù)均相同。三種鏡柄模型的截面如圖1所示：
圖1 鏡柄模型截面圖

1 平板模型結(jié)果分析

運用大渦模擬的方法進(jìn)行數(shù)值模擬。將三種不同鏡柄結(jié)構(gòu)形式的后視鏡模型安裝到平板模型中，布置監(jiān)測點，以便于對比分析氣流流過后視鏡后在平板表面產(chǎn)生的脈動壓力。圖2為監(jiān)測點布置示意圖：
 
圖2 監(jiān)測點布置示意圖
 
圖3 監(jiān)測點平均聲壓級對比
 
表1 三種后視鏡模型各頻段聲壓級對比

 
圖3為三種模型所取監(jiān)測點三分之一倍頻程平均聲壓級對比圖，表1為各頻段聲壓級對比。結(jié)合圖3和表1可知，當(dāng)風(fēng)速為120km/h時，三種后視鏡模型的聲壓級在中心頻率200Hz左右達(dá)到最大值，在400~800Hz頻段內(nèi)略有升高，隨著頻率的增大，聲壓級逐漸降低。不同鏡柄結(jié)構(gòu)形式的后視鏡模型在1600Hz以下聲壓級差距比較明顯，最大差值可達(dá)2.7dB。具有前凸型鏡柄的后視鏡模型的聲壓級在2000Hz內(nèi)均高于矩型與船型鏡柄后視鏡模型。船型鏡柄后視鏡模型聲壓級在800Hz和高于1600Hz頻段內(nèi)高于矩型鏡柄后視鏡。表2是將三種后視鏡模型各監(jiān)測點平均聲壓級數(shù)值匯總計算得到的總聲壓級，由此可得，前凸型型鏡柄后視鏡的聲壓級相比于船型鏡柄與矩型鏡柄分別增大1.4dB和1.1dB。
 
表2 監(jiān)測點總聲壓級

2 實車模型結(jié)果分析
 
為了進(jìn)一步研究三種后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對汽車氣動噪聲的影響，同樣運用大渦模擬的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬的網(wǎng)格設(shè)置等條件與平板模型相同。將三種后視鏡安裝到某自主品牌乘用車中，分析三種后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式在實車狀態(tài)下對汽車氣動噪聲的影響。實車模型為某自主品牌轎車模型，保留車身最大外表面及車身表面所有幾何特征，去除了發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。
 
2.1  側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級對比分析
整個側(cè)窗表面均勻布置43個監(jiān)測點，用43個監(jiān)測點的聲壓級近似代替?zhèn)却氨砻媛晧杭夁M(jìn)行對比分析。側(cè)窗玻璃表面監(jiān)測點布置如圖4所示。
 
圖4 側(cè)窗表面監(jiān)測點布置圖
 
圖5為三種鏡柄結(jié)構(gòu)形式的后視鏡模型安裝到實車模型中側(cè)窗表面各監(jiān)測點三分之一倍頻程平均聲壓級。
 
圖5 側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級對比
 
由圖3與圖5對比可知，在預(yù)測三種后視鏡柄模型對氣動噪聲的影響方面，后視鏡安裝到平板模型與實車模型中，監(jiān)測點的聲壓級變化趨勢總體上具有一致性。但由于在實車環(huán)境中，后視鏡區(qū)域的氣流受車身其它部件的擾動，相比于平板模型變化較大，流動更加復(fù)雜，因此，研究實車狀態(tài)下三種鏡柄結(jié)構(gòu)形式對氣動噪聲的影響具有重要的意義。將三種后視鏡模型側(cè)窗表面監(jiān)測點的聲壓級數(shù)值做進(jìn)一步處理，得到側(cè)窗表面監(jiān)測點總聲壓級。側(cè)窗表面監(jiān)測點總聲壓級如表3所示：

表3 側(cè)窗表面監(jiān)測點總聲壓級

 
由表3可知，船型鏡柄后視鏡模型相對于前凸型鏡柄后視鏡模型，聲壓級值可降低2.0dB，前凸型鏡柄后視鏡模型相比于矩型鏡柄后視鏡模型增高0.6dB。由此可見，不同后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對側(cè)窗表面聲壓級影響較大。
 
2.2實車狀態(tài)瞬態(tài)結(jié)果分析
下面選取每個模型的側(cè)窗表面監(jiān)測點1、5、10的聲壓級做進(jìn)一步分析。
 
圖6 后視鏡模型各監(jiān)測點聲壓級
 
圖a、b、c分別為監(jiān)測點1、5、10的聲壓級對比圖，三個監(jiān)測點位于后視鏡鏡柄后方。由圖b、c可以看出，三種鏡柄后視鏡模型在監(jiān)測點5與監(jiān)測點10的聲壓級變動與圖5各監(jiān)測點平均聲壓級的變化趨勢相同。在低頻區(qū)域，前凸型鏡柄后視鏡模型聲壓級大于其余兩種模型，船型鏡柄后視鏡模型的聲壓級在整個頻段內(nèi)較低。表明，后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對氣動噪聲的主要影響區(qū)域之一為監(jiān)測點5與監(jiān)測點10所在的區(qū)域。三種鏡柄后視鏡模型的聲壓級變化在監(jiān)測點1區(qū)域趨勢不明顯，原因是距離后視鏡三角形蓋板的距離較近，受流過三角形蓋板后部氣流的影響較大。
 
3 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下結(jié)果分析

為了進(jìn)一步探究不同鏡柄結(jié)構(gòu)形式對氣動噪聲的影響，選取汽車來流速度120km/h，研究±10°偏航角狀態(tài)下三種后視鏡鏡柄結(jié)構(gòu)形式對氣動噪聲的影響。圖7為汽車不同偏航角狀態(tài)示意圖。
 
圖7 不同偏航角示意圖
 
3.1 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下側(cè)窗聲壓級對比分析
為了對比側(cè)風(fēng)狀態(tài)下駕駛員側(cè)與副駕駛員側(cè)兩側(cè)噪聲差異，首先對左右兩側(cè)側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級進(jìn)行對比分析。圖9為±10°偏航角狀態(tài)下駕駛員側(cè)與副駕駛員側(cè)側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級。
 
 
圖8 ±10°側(cè)側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級對比圖
 
由圖8駕駛員側(cè)與副駕駛員側(cè)側(cè)窗表面監(jiān)測點平均聲壓級對比可知，在+10°偏航角狀態(tài)下，副駕駛員側(cè)（背風(fēng)側(cè)）三種鏡柄結(jié)構(gòu)形式的后視鏡模型監(jiān)測點平均聲壓級在2000Hz內(nèi)普遍比駕駛員側(cè)的聲壓級高10dB左右。在駕駛員側(cè)（迎風(fēng)側(cè)），三種不同鏡柄后視鏡模型對側(cè)窗氣動噪聲的影響有明顯的差異性。在整個頻段內(nèi)，船型鏡柄后視鏡模型的側(cè)窗表面聲壓級明顯低于矩型鏡柄與前凸型鏡柄后視鏡模型，最大差距達(dá)2.5dB，而矩型鏡柄后視鏡模型與前凸型后視鏡模型的側(cè)窗表面聲壓級相差較??；在副駕駛員側(cè)，三種鏡柄結(jié)構(gòu)形式對后視鏡區(qū)域氣動噪聲的影響相比于駕駛員側(cè)較小，但聲壓級普遍處于較高的水平。其中矩型鏡柄后視鏡模型聲壓級在1000Hz后高于其余兩種鏡柄模型。
 
以由上分析可知，在±10°偏航角狀態(tài)下，迎風(fēng)側(cè)的后視鏡區(qū)域氣動噪聲相比于背風(fēng)側(cè)低；在迎風(fēng)側(cè)鏡柄結(jié)構(gòu)形狀對氣動噪聲影響較大，在背風(fēng)側(cè)較??；在迎風(fēng)側(cè)，船型鏡柄相比于矩型鏡柄與前凸型鏡柄具有較好的氣動噪聲性能。
 
3.2 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下流場分析
 
圖9 +10°Z方向截面速度矢量圖
 
圖10 -10°Z方向截面速度矢量圖
 
圖9為+10°狀態(tài)下后視鏡鏡柄上方20mm處Z方向截面速度矢量圖?？梢钥闯?，三種后視鏡模型的尾部渦流總體上具有一致性，氣流在后視鏡鏡殼邊緣分離后有兩個方向相反的渦流區(qū)向后方發(fā)展。后視鏡尾部渦流在駕駛員側(cè)與副駕駛員側(cè)因前方來流方向的不同而導(dǎo)致較大的差異：在駕駛員側(cè)，尾部渦流有向側(cè)窗偏移的趨勢，在副駕駛員側(cè)，有遠(yuǎn)離側(cè)窗的趨勢；在流動速度方面，副駕駛員側(cè)后視鏡前方、鏡殼外側(cè)和通道區(qū)域的氣流速度普遍高于駕駛員側(cè)。
 
在駕駛員側(cè)，船型鏡柄后視鏡模型的尾部渦流相比于矩型鏡柄與前凸型鏡柄后視鏡模型小且遠(yuǎn)離側(cè)窗位置，矩型鏡柄與前凸型鏡柄后視鏡模型尾部渦流直接作用在側(cè)窗位置，且在側(cè)窗位置中部再次形成渦流，引起側(cè)窗位置強烈的壓力脈動，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)窗區(qū)域噪聲增大。
 
在副駕駛員側(cè)，三種鏡柄后視鏡模型在鏡柄與側(cè)窗通道處及鏡殼外緣區(qū)域有較為明顯的加速現(xiàn)象，壁面偶極子聲源急劇增大，致使副駕駛員側(cè)的聲壓級普遍高于駕駛員一側(cè)。另外，矩型鏡柄后視鏡模型在通道處的流速大于船型鏡柄與前凸型鏡柄后視鏡模型，導(dǎo)致矩型鏡柄后視鏡模型在1000Hz后聲壓級增大。
 
對比±10°兩種偏航角狀態(tài)可以得知，在迎風(fēng)側(cè)，后視鏡產(chǎn)生的尾部渦流有向側(cè)窗表面偏移的趨勢，導(dǎo)致側(cè)窗表面壓力脈動變化劇烈，氣動噪聲增大；在背風(fēng)側(cè)，后視鏡尾部渦流有遠(yuǎn)離側(cè)窗的趨勢，但是背風(fēng)側(cè)氣流速度相比于迎風(fēng)側(cè)有大幅增加，壁面偶極子聲源增大，導(dǎo)致在總體上背風(fēng)側(cè)氣動噪聲明顯高于迎風(fēng)側(cè)。

4 總結(jié)

本文對比分析了船型鏡柄后視鏡模型、矩型鏡柄后視鏡模型和前凸型鏡柄后視鏡分別安裝在平板模型和實車模型中的氣動噪聲。結(jié)果表明，在平板模型和實車模型中，船型鏡柄模型均有較好的氣動噪聲性能。研究了在±10°偏航角狀態(tài)下三種鏡柄后視鏡模型對汽車氣動噪聲性能的影響。結(jié)果表明，背風(fēng)側(cè)側(cè)窗表面監(jiān)測點聲壓級高于迎風(fēng)側(cè)；在迎風(fēng)側(cè)，船型鏡柄后視鏡模型側(cè)窗表面監(jiān)測點聲壓級較低；在背風(fēng)側(cè)，三種鏡柄后視鏡模型側(cè)窗表面監(jiān)測點聲壓級接近。
 
 
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