背景

由于道路和發(fā)動機噪聲的顯著降低以及不斷推進的電氣化，風噪聲對汽車發(fā)展越來越重要。在汽車前期開發(fā)中企業(yè)對于風噪也愈發(fā)重視，對于許多車輛， 在較高車速下，風噪聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻者，除了風噪聲的典型寬帶噪聲特征外，窄帶噪聲現(xiàn)象的破壞性更強；窄帶噪聲通常是由于流過尖銳的邊緣和共振間隙而發(fā)生的，但也可能是由聲波反饋到流場中造成的。

早在1973年，有學者首次通過低湍流風洞中的機翼（NACA0012）對這些窄帶成分噪聲研究；此外許多其他作者也證實了前人的研究結果，并達成了一個共識：速度相關的音調(diào)頻率是按照一般的u3/2比例排列的階梯式結構，隨著速度的增加，頻率從一個梯級跳到另一個梯級，每個梯級的比例為u0.8；


圖1 NACA 0012機翼

這種現(xiàn)象的發(fā)生與湍流和層狀邊界層或分離氣泡，以及一些能夠產(chǎn)生噪聲的障礙物有關，亦或是邊界層的不穩(wěn)定性導致的邊界層的頻率選擇性增長。如圖1所示，通過對機翼以及后視鏡的分析，這種現(xiàn)象也可以發(fā)生在車輛的前后視鏡上。因為所有必要條件得到滿足：

（1）首先在沒有風和前車的情況下，自由流的湍流很低，加上光滑的油漆和較短的車身，使得整車處于低雷諾數(shù)下；

（2）由于不利的壓力梯度或造型風格/空氣動力學特征，表面層狀邊界層分離；

（3）Tollmien-Schlichting不穩(wěn)定性在分離邊界層中被放大；

（4）后緣噪聲或與其他功能障礙物（如雨槽）的相互作用。導致邊界層對不穩(wěn)定性的頻率選擇性強化。

如果機翼上的航空聲反饋是由于不穩(wěn)定的層狀邊界層以及層狀脫離相結合而產(chǎn)生的，那么這種現(xiàn)象可以很容易地可以很容易地轉移到汽車外后視鏡上；在沒有流動影響的情況下 （幾何障礙物、湍流器）的情況下，外后視鏡出現(xiàn)嘯叫聲的風險非常高；假設一個簡化的典型的駕駛速度為140公里/小時，將鏡子的幾何形狀簡化是一個半圓柱體，典型尺寸為直徑小于20厘米，根據(jù)得出的雷諾數(shù)可以清晰的發(fā)現(xiàn)其表面的層狀邊界層分離。

通過以上分析，為了解決汽車中類似的聲學反饋問題，人們迫切需要聲學和流場的雙向耦合?？蓧嚎s大渦流模擬（LES）原則上是合適的，因為它考慮了聲學和流場的相互作用。但它必須照顧到數(shù)值偽影（numerical artifacts），這可能會干擾整個聲場。對聲學反饋的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，由于計算能力的穩(wěn)步增長，已經(jīng)有可能通過以下方式解決反饋現(xiàn)象，在NACA 0012機翼上可以進行直接數(shù)值模擬（DNS）來解決反饋現(xiàn)象；第一個關于汽車側后視鏡窄帶噪聲的數(shù)值研究是由斯圖加特大學發(fā)表的：將一個孤立的后視鏡安裝在平板上，并在平板上對齊，這樣的方式下，流場和壓力分布是與全車的DES相適配的。在此基礎上采用一個區(qū)域性的RANS/LES的方法，將其應用于安裝在梅賽德斯-奔馳客車上的汽車側后視鏡，并將其和其他的數(shù)值模擬方法以及風洞測量結果進行比較。通過對結果的分析，從中得出了四個改型方案，并通過CFD和風洞進行了測試。

實驗

為了確認在開發(fā)新的外后視鏡的過程中能過觀測到嘯叫聲的問題，在各種工況（速度、偏航角）下，在位于辛德芬根的梅賽德斯-奔馳公司的航空聲學風洞中對不同的幾何支架進行風洞實驗驗證。圖2顯示了其中一個在梅賽德斯-奔馳乘用車上有明顯窄帶噪聲的開發(fā)幾何體。在大約1500赫茲處可以看到超過10分貝的強音峰，它隨著速度的增加而轉移到更高的頻率上。另外，在坎貝爾圖中，可以看到階梯式的音調(diào)結構，這驗證了航空聲學的跡象反饋 。


圖2

CFD模型建立

由于對整個車身進行壁面分辨的LES會使計算量過大。因此出現(xiàn)了一個問題，那就是如何計算正確的流動拓撲結構。為此，采用了分區(qū)RANS/LES方法。圖3顯示了各自建模的區(qū)域分布。對車輛流場通過ke湍流模型進行穩(wěn)定的RANS模擬求解，對后視鏡周圍提供局部執(zhí)行的LES邊界條件。


圖3

實驗以及仿真結果

風洞中測量的聲學頻譜代表了流動部分外的傳聲器的平均PSD。在計算中傳聲器的位置被放置在接近于域邊界，與風洞不同的是，它離外部鏡子只有幾分米的距離。

實驗和模擬之間的第一個定性比較繪制在圖4中， 分析時速60公里的實驗結果， 可以看到五個頻率的異常。兩個主要的峰值出現(xiàn)在1340赫茲和1500赫茲，第五個峰值在2680赫茲是第一個峰值的諧波。在這之間，有兩個較弱的峰值，分別在1780赫茲和2220赫茲。實驗觀測到的兩個主要的峰值（1270赫茲，1430赫茲）在模擬中都有體現(xiàn)，第二個峰值明顯占優(yōu)勢。此外，有一個大約70赫茲的頻率轉移到較低的頻率。由于第一個峰值更弱，它的諧波不可見，但因此第二個峰值的諧波在2860 Hz。


圖4 實驗結果

中間的峰值（1770 Hz, 2190 Hz）只有在進一步的網(wǎng)格細化和x+, z+值小于20后才可見，看起來，由這是由于于后視鏡的三維結構需要比準2D機翼流更精細的表面分辨率。然而，與壁面平行的分辨率只能在StarCCM中細化但StarCCM+中各向同性，這不允許在流動和橫向方向進行單獨設置。

仿真與與風洞測量的偏差可視為為很小，但依然存在，這可能是由不同的邊界條件造成的。在風洞測量中，即使是后視鏡上最小的幾何形狀差異以及其表面粗糙度的差異和流動強度的變化都會導致或多或少的類似偏差；


圖5 截面渦流

為了更好地理解窄帶噪聲，觀察平行于流向的垂直截面上的渦流（見圖5），在圖中可以看到?；旧希N不同的邊界層現(xiàn)象是可以識別的，所有這些現(xiàn)象都始于設計邊緣的層狀邊界層的脫離；

（a）在面向車輛的一側，只形成了一個小的分離泡，但分離氣流立刻再次附著，最后在鏡子蓋的邊緣處分離。

（b）在鏡蓋的中間，有一個更大的層狀分離氣泡存在。剪切層變得不穩(wěn)定，發(fā)生湍流再附著。

（c）在外面，這種重新附著明顯向下游轉移，在鏡蓋的整個長度上都存在。這也是二維Tollmien-Schlichting不穩(wěn)定性開始發(fā)展的地方，并最后與鏡柄相互影響；

根據(jù)實驗以及仿真結果，為了減弱窄帶噪聲，鏡面幾何形狀必須被修改，以使分離的和不穩(wěn)定的層流剪切層可以不再與障礙物相互作用 ，或者由于長度的原因，導致的湍流重新附著。然而，最簡單的方法是避免任何層流分離或強迫早期過渡,但由于造型和空氣動力學的要求，這通常是不可行的。

幾何修改

對于在開發(fā)過程中使用模擬方法，具有可靠地預測嘯叫聲的能力是至關重要的。因此，對后視鏡幾何形狀做了四個小的修改 （見圖6），然后通過仿真和實驗進行進行檢查。在 V1和V2，設計邊緣向游移動，以使分離的氣流在整個寬度上重新附著。此外，V2有一個更尖銳的設計邊緣。V3降低了設計邊緣，以減少頂部的分離。在V4中，鏡架被抬高并置于流場中，以迫使氣流在上游重新附著。


圖6 改型

四種幾何修改都取得了預期的成功，將平均光譜繪制在圖7中。所有強音調(diào)的噪聲成分都完全消失了。只有V3工況在風洞中實驗中有一個小的增長，但是由于其強度低（<3dB），在車輛內(nèi)部不明顯。


圖7 光譜圖

結  論

展示了用商業(yè)二/三階有限體積CFD代碼解決空氣聲學反饋的可能性。用NACA 0012測試案例進行的初步驗證和進一步的收斂性研究，使LES有可能應用于真實的汽車后視鏡；為了確保安裝在梅賽德斯-奔馳客車上的后視鏡周圍的真實流動條件，采用了分區(qū)的 RANS/LES方法。這解決了外部后視鏡表面流動，其流動拓撲結構與風洞中的油流圖像非常一致，與機翼相類似，它顯示了層狀分離（氣泡）的存在。層狀分離（氣泡）的存在是空氣聲反饋發(fā)生的必要條件。與風洞測量相比，在外后視鏡鏡處計算出的音調(diào)噪聲非常符合。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，得出了四種幾何形狀的修改。所有這些修改在風洞和模擬中都沒有顯示出更明顯的窄帶噪聲。故所提出的方法提供了一種有效的分析方法，可以有效避免在未來的汽車側后視鏡開發(fā)中出現(xiàn)類似航空聲學反饋的問題。

來源文獻：Numerical Investigation of Tonal Noise at Automotive Side Mirrors due to Aeroacoustic Feedback，Published September 30, 2020 by SAE international in United States.