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天窗風(fēng)振噪聲控制之流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板方案設(shè)計(jì)
2020-06-24 21:24:46· 來(lái)源：中國(guó)汽研汽車風(fēng)洞技術(shù) 作者：張全周
汽車風(fēng)振噪聲已成為當(dāng)前汽車NVH領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，由于風(fēng)振噪聲產(chǎn)生機(jī)理的特殊性和有效控制存在的技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展汽車風(fēng)振噪聲快速預(yù)測(cè)方法、多因素影響規(guī)
汽車風(fēng)振噪聲已成為當(dāng)前汽車NVH領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，由于風(fēng)振噪聲產(chǎn)生機(jī)理的特殊性和有效控制存在的技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展汽車風(fēng)振噪聲快速預(yù)測(cè)方法、多因素影響規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理分析和優(yōu)化控制研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)汽研風(fēng)洞中心通過(guò)研究已形成非常實(shí)用的汽車風(fēng)振噪聲控制低成本方案，將有效助力車企汽車風(fēng)振噪聲性能整體提升。本公眾號(hào)將通過(guò)三期內(nèi)容介紹相關(guān)研究成果，特別致謝風(fēng)振噪聲專家安長(zhǎng)發(fā)博士的突出貢獻(xiàn)。
作者簡(jiǎn)介
張全周博士：
中國(guó)汽研汽車風(fēng)洞中心風(fēng)噪性能開(kāi)發(fā)工程師， 長(zhǎng)期從事風(fēng)振噪聲研究與開(kāi)發(fā)工作，相關(guān)研究成果已在JVC、Applied Acoustics、汽車工程等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表。
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1. 天窗風(fēng)振噪聲問(wèn)題車速區(qū)間識(shí)別
汽車風(fēng)振噪聲通常發(fā)生于特定車速區(qū)間內(nèi)，其與車速關(guān)聯(lián)密切。中國(guó)汽研風(fēng)洞中心以某實(shí)車為例，計(jì)算分析車速對(duì)天窗風(fēng)振噪聲頻域特征的影響，以識(shí)別其問(wèn)題車速區(qū)間。
風(fēng)振噪聲主頻率一般在20Hz左右，其波長(zhǎng)跨度遠(yuǎn)超過(guò)車廂的空間尺寸，故其頻域特征在空間分布上具有一致性。在研究過(guò)程中均統(tǒng)一針對(duì)駕駛員右耳處的風(fēng)振噪聲頻譜開(kāi)展分析。圖1顯示了駕駛員右耳處的天窗風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL隨車速V1的變化關(guān)系。可以看出，除V1=40km/h外，其余車速下的Peak SPL均在100dB以上，而在V1=70-100km/h車速區(qū)間內(nèi)，Peak SPL更是高達(dá)140dB，故該實(shí)車存在極其嚴(yán)重的天窗風(fēng)振噪聲問(wèn)題。后續(xù)將針對(duì)天窗風(fēng)振噪聲最為嚴(yán)重的車速工況（V1=90km/h），開(kāi)展其控制方法研究。
圖1 天窗風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL隨車速V1的變化關(guān)系
2. 流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案設(shè)計(jì)
導(dǎo)流板是當(dāng)前最為常見(jiàn)的天窗風(fēng)振噪聲控制措施，選型、布置安裝等均會(huì)對(duì)其降噪效果造成影響。有研究表明[1]，平直導(dǎo)流板可較好地改善汽車天窗風(fēng)振噪聲性能，且在其后緣開(kāi)槽，可使其降噪效果進(jìn)一步提升。但是，現(xiàn)有研究多未考慮天窗前緣端面與導(dǎo)流板前緣之間流道的影響，且并不存在一款確定的導(dǎo)流板可完美解決所有車型的天窗風(fēng)振噪聲問(wèn)題。鑒于此，中國(guó)汽研汽車風(fēng)洞中心提出了一種流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案，同時(shí)呈現(xiàn)了一套完整的導(dǎo)流板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。
流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步設(shè)計(jì)
考慮導(dǎo)流板選型及安裝布置等問(wèn)題，提出了流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案，其具體型式及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。當(dāng)天窗處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)流板被收納在天窗前緣的雨水槽內(nèi)；天窗開(kāi)啟后，導(dǎo)流板受其連接臂上的彈簧作用被彈起。該導(dǎo)流板的上、下緣均與天窗前緣平行，其外形由形狀參量a、b、W和D決定，其安裝位置由位置參量gap和φ共同決定。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，若依次對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)參量進(jìn)行計(jì)算分析，工作量巨大，將大為延緩研發(fā)周期。鑒于該導(dǎo)流板方案由平直導(dǎo)流板演變而來(lái)，故其部分設(shè)計(jì)參量可參考平直導(dǎo)流板相關(guān)研究加以確定。
圖2 流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案
汽車風(fēng)振噪聲專家安長(zhǎng)發(fā)博士曾基于CFD仿真探討了平直導(dǎo)流板高度Height和安裝角度Angle對(duì)天窗風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL的影響[2]。結(jié)果顯示，當(dāng)Angle在0°-60°區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，以Angle=40°時(shí)的Peak SPL最小；當(dāng)Height在43-60mm區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，Peak SPL基本維持不變。故流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板方案中的位置參量φ（該角度與安博士研究中的安裝角度Angle互為余角），取50°；形狀參量b（對(duì)應(yīng)于安博士研究中的Height），取43mm（注：導(dǎo)流板高度過(guò)高不利于氣動(dòng)減阻）。至于其它設(shè)計(jì)參量，即形狀參量a、W和D，以及位置參量gap，后續(xù)將通過(guò)影響分析的方法加以確定。此處先給定一個(gè)初步設(shè)計(jì)方案，即形狀參量a=10mm、b=43mm、W=60mm、D=15mm（其中，槽寬W、槽深D與原始城堡型導(dǎo)流板的相應(yīng)參量一致），以及位置參量gap=15mm，φ=50°。接下來(lái)將基于此初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板的降噪作用進(jìn)行分析。以下計(jì)算分析均在天窗風(fēng)振噪聲最嚴(yán)重的車速（V1=90km/h）工況下展開(kāi)。
流道-開(kāi)槽導(dǎo)流降噪作用分析
降噪效果分析
圖3對(duì)比了原始城堡型導(dǎo)流板和流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜。結(jié)果顯示，原始城堡導(dǎo)流板對(duì)應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值為142.7dB@24Hz，流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案對(duì)應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值為110.4dB@25Hz?？梢?jiàn)，替換為流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案后，Peak SPL降幅達(dá)32.3dB，降噪效果顯著。
圖3 原始城堡型導(dǎo)流板和流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜
降噪機(jī)制分析
流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板的降噪機(jī)理，尤其是天窗前緣端面與導(dǎo)流板前緣之間流道對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響尚不明晰，此處將從流道的降噪作用、開(kāi)槽的降噪作用兩個(gè)方面對(duì)該導(dǎo)流板方案的降噪機(jī)制進(jìn)行探究。
（1） 流道的降噪機(jī)制
為探究流道的降噪作用，在流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案的基礎(chǔ)上，調(diào)整位置參量gap=0mm，稱該方案為“初步方案（去除流道）”，與初步方案做分析對(duì)比。
圖4對(duì)比了初步方案（去除流道）和初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜。結(jié)果顯示，去除流道時(shí)，風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值為120.5dB@25Hz；與之相較，增設(shè)流道后，相應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL降至110.4dB，降幅達(dá)10.1dB。可見(jiàn)，該流道對(duì)于天窗風(fēng)振噪聲抑制具有積極作用。
從流場(chǎng)角度對(duì)流道的降噪機(jī)理進(jìn)行探究。圖5對(duì)比了無(wú)流道和有流道兩種情況下，天窗前緣附近區(qū)域的速度云圖。結(jié)果顯示：1）無(wú)流道時(shí)，掠過(guò)天窗前緣的氣流在導(dǎo)流板正面的引導(dǎo)下，沿路徑1向后流動(dòng)；而增設(shè)流道后，掠過(guò)導(dǎo)流板的氣流被分成了兩部分，一部分依舊在導(dǎo)流板正面的引導(dǎo)下，沿路徑1向后流動(dòng)，而另有一部分氣流經(jīng)流道，沿路徑2流動(dòng)至導(dǎo)流板背部區(qū)域。2）在導(dǎo)流板后緣，即A區(qū)域，由于外形突變，流經(jīng)路徑1的車外氣流在該位置之后逐漸發(fā)生流動(dòng)分離；增設(shè)流道后，部分車外氣流流經(jīng)流道、路徑2，使A區(qū)域內(nèi)側(cè)氣流流速增加，進(jìn)而降低了A區(qū)域外側(cè)、內(nèi)側(cè)氣流之間的速度梯度，在一定程度上抑制了上述流動(dòng)分離現(xiàn)象。進(jìn)一步觀察B區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)流道情況下的流動(dòng)分離明顯強(qiáng)于有流道的情況。圖6為無(wú)流道和有流道兩種情況下，天窗區(qū)域的Q準(zhǔn)則云圖。對(duì)比可知：無(wú)流道情況下，天窗中后部及天窗后緣附近（C區(qū)域）的渦團(tuán)尺度更大，且有更多的渦團(tuán)經(jīng)天窗后緣侵入車內(nèi)，由此車廂內(nèi)、外氣流交換更劇烈，車內(nèi)壓力擾動(dòng)也更大，天窗風(fēng)振噪聲也更為顯著。
圖4 初步方案（去除流道）和初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜
圖5 有、無(wú)流道情況下，天窗前緣區(qū)域的速度云圖
圖6 有、無(wú)流道情況下，天窗區(qū)域的Q準(zhǔn)則云圖
可見(jiàn)，增設(shè)流道抑制了天窗前緣的氣流流動(dòng)分離，進(jìn)而對(duì)自上游向下游的旋渦運(yùn)動(dòng)/遷移、后緣的旋渦撞擊破碎過(guò)程造成影響，最終起到了削弱車內(nèi)壓力擾動(dòng)，抑制天窗風(fēng)振噪聲的作用。
（2）開(kāi)槽的降噪機(jī)制
為探究開(kāi)槽的降噪作用，在流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案的基礎(chǔ)上，填充起導(dǎo)流板后緣開(kāi)槽，稱該方案為“初步方案（不開(kāi)槽）”，與初步方案做分析對(duì)比。
圖7對(duì)比了初步方案（不開(kāi)槽）和初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜。結(jié)果顯示，不開(kāi)槽時(shí)，風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值為116.8dB@25Hz，與之相較，開(kāi)槽后，相應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL降至110.4dB，降幅達(dá)6.4dB?？梢?jiàn)，導(dǎo)流板后緣開(kāi)槽有助于抑制天窗風(fēng)振噪聲。
從流場(chǎng)角度對(duì)后緣開(kāi)槽的降噪機(jī)理進(jìn)行探究。圖8對(duì)比了導(dǎo)流板后緣不開(kāi)槽和開(kāi)槽兩種情況下，以靜壓渲染的天窗區(qū)域Q準(zhǔn)則等值面圖。結(jié)果顯示：不開(kāi)槽時(shí)，除天窗左、右兩側(cè)邊緣附近外，其余各處的渦團(tuán)在展向上均勻分布；開(kāi)槽后，渦團(tuán)在展向上的均勻分布被打破，在A區(qū)域，渦團(tuán)分布的展向不均勻性十分明顯，而在B區(qū)域，壓力分布的不均性顯而易見(jiàn)。這種展向分布不均性，將促進(jìn)展向上的渦團(tuán)間相互作用，耗散能量的同時(shí)，使該區(qū)域的湍流度增加。相比于層流，湍流更難激發(fā)噪聲[3]，加之開(kāi)槽后，導(dǎo)流板后方區(qū)域能量耗散加劇，故導(dǎo)流板后緣開(kāi)槽有助于降低車內(nèi)風(fēng)振噪聲。
圖7 初步方案（不開(kāi)槽）和初步方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜
圖8 有、無(wú)開(kāi)槽情況下，天窗區(qū)域的Q準(zhǔn)則等值面圖
綜上，流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板兼顧流道和開(kāi)槽的降噪功用，從而可以抑制天窗風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值。
設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
現(xiàn)通過(guò)影響分析的方法探究流道、開(kāi)槽相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律，以選定一個(gè)較優(yōu)的流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案。
流道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
在給定形狀參量a=10mm、b=43mm、W=60mm、D=15mm，位置參量φ=50°的情況下，取縫隙寬度gap=10、15和20mm，以探究縫隙寬度對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律。圖9（a）顯示了不同縫隙寬度gap所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜?？芍弘S著縫隙寬度gap的增大，風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL先升后降，以gap=20mm時(shí)最小。
在給定形狀參量b=43mm、W=60mm、D=15mm，位置參量φ=50°、gap=20mm的情況下，取導(dǎo)流板下部高度a=5、10和15mm，以探究導(dǎo)流板下部高度對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律。圖9（b）顯示了不同導(dǎo)流板下部高度a所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜?？芍猴L(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL隨著導(dǎo)流板下部高度a的增大而降低，以a=15mm時(shí)最小。
圖9 流道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
開(kāi)槽相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
在給定形狀參量a=15mm、b=43mm、D=60mm，位置參量φ=50°、gap=20mm的情況下，取槽深D=10、15和20mm，以探究槽深對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律。圖10（a）顯示了不同槽深D所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜?？芍弘S著槽深D的增大，風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL變化很小，其中以D=20mm時(shí)的Peak SPL最小。
在給定形狀參量a=15mm、b=43mm、D=20mm，位置參量φ=50°、gap=20mm的情況下，取槽寬W=50、60和70mm，以探究槽寬對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律。圖10（b）顯示了不同槽寬W所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜?？芍弘S著槽寬W的增大，風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL先降后升，以W=60mm時(shí)最小。
圖10 開(kāi)槽相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
綜上，最終選定了較優(yōu)的流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板方案（優(yōu)選方案），即形狀參量a=15mm、b=43mm、W=60mm、D=20mm，位置參量φ=50°、gap=20mm。
導(dǎo)流板優(yōu)選方案降噪效果分析
圖11所示為原始城堡型導(dǎo)流板、流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案、流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板優(yōu)選方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜。由圖可知：相比于原始城堡型導(dǎo)流板，流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案對(duì)應(yīng)的風(fēng)振噪聲聲壓級(jí)峰值Peak SPL由142.7dB降低至110.4dB，降幅達(dá)32.3dB；經(jīng)影響分析，優(yōu)選方案對(duì)應(yīng)的Peak SPL又進(jìn)一步降低了9.8dB，至100.6dB，降幅高達(dá)42.1dB。至此，實(shí)現(xiàn)了實(shí)車天窗風(fēng)振噪聲的有效控制。
圖11 原始城堡型導(dǎo)流板、流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板初步方案和優(yōu)選方案所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜對(duì)比
3 小 結(jié)
圍繞汽車風(fēng)振噪聲預(yù)測(cè)方法與優(yōu)化控制問(wèn)題，在風(fēng)振噪聲專家安長(zhǎng)發(fā)博士的指導(dǎo)下，中國(guó)汽研風(fēng)洞中心開(kāi)展了汽車風(fēng)振噪聲計(jì)算模型與分析、基于時(shí)變車速狀態(tài)的風(fēng)振噪聲快速預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用、考慮車速-側(cè)風(fēng)耦合的風(fēng)振噪聲預(yù)測(cè)模型建模及應(yīng)用、抑制前緣旋渦脫落的風(fēng)振噪聲優(yōu)化控制方案，以及道路試驗(yàn)驗(yàn)證等一系列工作。
經(jīng)綜合考慮降噪效果、安裝布置，以及是否會(huì)額外引入風(fēng)阻、高頻風(fēng)噪等因素，發(fā)現(xiàn)“抑制前緣旋渦產(chǎn)生/脫落”是當(dāng)前較為可行的風(fēng)振噪聲控制方法。本期所介紹的流道-開(kāi)槽導(dǎo)流板控制方案設(shè)計(jì)方法所得到的優(yōu)先方案通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)天窗風(fēng)振噪聲的有效控制，可廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。
下期預(yù)告：
風(fēng)振噪聲控制技術(shù)分享（三）| 基于前緣子空腔的天窗風(fēng)振噪聲優(yōu)化控制方案
參考文獻(xiàn)
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