本文利用商用CFD軟件對安裝在實際車輛車頂?shù)男欣罴墚a(chǎn)生的氣動噪聲進(jìn)行研究，主要考慮行李架橫桿攻角進(jìn)行優(yōu)化迭代。通過CFD計算得到行李架氣動噪聲的聲壓級頻譜圖，并與風(fēng)洞的測量結(jié)果進(jìn)行比較。同時，也會得到升力、阻力和瞬態(tài)流場對噪聲仿真結(jié)果在進(jìn)行支撐。在聲壓級相對幅值，頻譜特性方面，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果比較吻合。結(jié)果表明，CFD方法適用于工程條件下汽車車頂行李架的氣動噪聲性能、幾何形狀優(yōu)化開發(fā)工作。

簡介

降低汽車氣動噪聲是現(xiàn)在汽車廠商關(guān)注的重點，目前在抑制路噪和發(fā)動機噪聲方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，使得汽車行駛時的氣動噪聲更加凸顯出來。在客戶調(diào)查中，風(fēng)噪聲問題是投訴最多的問題之一。汽車工程師是通過風(fēng)洞試驗和CFD仿真的方法來進(jìn)行風(fēng)噪開發(fā)工作，以改善車輛的氣動噪聲性能。目前，天窗及側(cè)窗的風(fēng)振噪聲仿真是最成功的整車氣動噪聲仿真案例。由于車身表面復(fù)雜的三維流動和噪聲的高頻、寬頻特性，由后視鏡、雨刷等外部附件產(chǎn)生的湍流仍很難準(zhǔn)確的模擬。車頂行李架是目前SUV和旅行車上的常見配件，它們可以承載重物，但更多的時候是為了造型的美觀。但行李架作為突出附件，根據(jù)形狀和安裝狀態(tài)，會產(chǎn)生寬頻噪聲。本文對SUV上的行李架進(jìn)行了三維建模，通過CFD計算和Lighthill-Curle聲類比的方法，對噪聲的頻域特性進(jìn)行預(yù)測，頻率范圍為100-1000Hz，頻率范圍高于風(fēng)振噪聲。研究通過改變橫桿的攻角和前后距離實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。所有的仿真結(jié)果會與整車風(fēng)洞試驗結(jié)果和乘客的主觀評價進(jìn)行比較，然后利用CFD仿真對幾何模型進(jìn)行優(yōu)化。

CFD建模

計算域

計算域內(nèi)包括通用汽車風(fēng)洞內(nèi)的車輛，該車輛包括簡化的車底細(xì)節(jié)。其他仿真常使用非定常的雷諾平均N-S方程（URANS）進(jìn)行整車氣動阻力仿真。但是，在捕捉車頂橫桿周圍小的流動時，計算域的其他部分的網(wǎng)格被證明是無關(guān)緊要的，很大的一部分網(wǎng)格被浪費在對結(jié)果沒有影響的區(qū)域上。為使計算更加高效，從大計算域中提取了一個小的矩形區(qū)域。該子域由天窗上部和周邊空域組成，如圖1所示。從大計算域的時間平均、CFD求解得到的壓力和速度值被映射到穩(wěn)態(tài)邊界條件到子域。子域允許行李架周圍的網(wǎng)格細(xì)化，同時保證網(wǎng)格總數(shù)在一個合理范圍內(nèi)。在保證映射邊界條件不變的情況下，對行李架的后續(xù)設(shè)計均在子域上進(jìn)行。

圖1 風(fēng)洞域（上）和局部子域（下）顯示了70kph下的壓力等值線

在本次仿真中使用了商用CFD包PAM-FLOW。表1顯示了全模型的關(guān)鍵特征和局部行李架子域。

表1 CFD網(wǎng)格屬性

該研究的重點的捕捉安裝在行李架支架上的橫桿產(chǎn)生的氣動噪聲。為了進(jìn)行設(shè)計和靈敏度研究，橫桿放置為只有幾種不同的工況，如圖2所示。選擇這些配置是為了產(chǎn)生廣泛的噪聲數(shù)據(jù)，也代表了客戶可能調(diào)整橫桿的各種位置（行李架系統(tǒng)通常包含兩個相同的，可調(diào)節(jié)的橫桿，但前橫桿通代表了行李架的噪聲水平）。為了確保CFD仿真中只能捕捉到橫桿產(chǎn)生的湍流結(jié)構(gòu)，對支架的小孔以及縫隙進(jìn)行了封堵和簡化。工況1時在前方設(shè)置一個橫桿；工況2是在相同位置，攻角相對工況1為負(fù)角度的橫桿；工況3是兩個橫桿嵌套在一汽；橫桿4是安裝在天窗下游的一個橫桿。除了四種安裝配置，工況1和工況2還通過旋轉(zhuǎn)角度改變橫桿的攻角。因此，一共常見了六個仿真工況，如圖3所示。橫桿的截面有點類似于翼型，攻角是相對于地平線進(jìn)行測量的，由于天窗存在一定角度，因此氣流來流與橫桿的夾角約為+3°。因此，每種工況的總攻角大致為幾何測量的攻角加3度。仿真是在70英里每小時下進(jìn)行，由于天窗附近存在氣流的局部加速。橫桿處的流動速度約為40米/秒。因此，橫桿附近的雷諾數(shù)為150000。

圖2 車頂行李架位置工況

圖3 Y=0截面六種仿真工況

流場仿真

使用PAM-FLOW軟件求解不可壓縮、非定常雷諾平均N-S方程（URANS）。湍流采用Smagorinsky子網(wǎng)格尺度（SGS）方法進(jìn)行建模，不使用壁面函數(shù)，其中特征長度取自局部網(wǎng)格尺寸。表2顯示了子域模型的求解參數(shù)。表2 子域的CFD求解參數(shù)

聲學(xué)仿真

在解決過程中，PAM-FLOW內(nèi)置聲學(xué)工具根據(jù)Lighthill-Curle聲類比計算剛性表面上的偶極子聲源的聲壓級：

式中n為局部表面法線，r為從表面上的點到監(jiān)測點位置的向量，p為壓力，S為題表面，a為聲速。類比的低馬赫數(shù)假設(shè)允許對不可壓縮的CFD結(jié)果的聲壓進(jìn)行后處理，偶極子聲源的表面包括車頂、行李架軌道和行李架橫桿，如圖4所示。監(jiān)測點置于橫桿上方12英寸處。

圖4 聲源表面（藍(lán)色區(qū)域）

假設(shè)橫桿表現(xiàn)為鈍體并出現(xiàn)卡門渦街，則在斯特勞哈爾數(shù)0.2處可以觀察到壓力頻域峰值，據(jù)此得到預(yù)期峰值頻率出現(xiàn)在：

式中，St為斯特勞哈爾數(shù)，V為接近橫桿的空氣速度，d為特征脫落尺寸，脫落尺寸取橫桿后尾流的高度，估計為：

為了在CFD求解中捕捉到這個頻率，時間步長應(yīng)滿足奈奎斯特準(zhǔn)則：

由此得到表2中的時間步長。PAM-FLOW計算得出的聲壓級隨時間的變化，使用傅里葉變化得到2000Hz以內(nèi)的結(jié)果，重疊因數(shù)為0.5.

CFD結(jié)果

仿真與驗證

為了驗證CFD仿真的可靠性，在整車CFD模型上計算了氣動阻力，行李架橫桿貢獻(xiàn)了7count的氣動阻力。

圖5 90°橫桿和卡門渦街

在另一項測試中，橫桿是單獨建模的，橫跨了整個計算域，橫桿也向來流方向旋轉(zhuǎn)了90度，以確保橫桿不是流線型。這種工況類似于圓柱繞流，也正如預(yù)期那樣，CFD結(jié)果觀察到了卡門渦街，渦交替脫落對應(yīng)于St=0.18（如圖5）。圖6現(xiàn)實的阻力波動和是升力波動頻率的兩倍，與簡單圓柱的結(jié)果類似。

圖6 橫桿旋轉(zhuǎn)90度阻力（St=0.36）和升力（St=018）的實驗結(jié)果然后將橫桿旋轉(zhuǎn)到12°的攻角，這更接近于實車的布置，尾流顯示出了與90°不同的流動模式。從圖7中可以看出，橫桿的頂部與底部沒有產(chǎn)生交替脫落。相反，從頂部和底部分流的流體相互合并，形成了一個向下對流的旋渦，這種周期性脫落在頻率250hz左右，對應(yīng)斯特勞哈爾數(shù)為0.08。

圖7 橫桿攻角為12°的工況下，渦的周期性脫落對應(yīng)S=0.08

攻角為12°的模型在不同風(fēng)速下進(jìn)行了仿真，表3表示了隨著來流速度的的增加升力頻率的變化，斯特勞哈爾數(shù)保持不變，以此來驗證仿真的準(zhǔn)確性。表3 橫桿為12°攻角條件下來流速度變化，St恒定

流動可視化

由于CFD模擬是瞬態(tài)的，因此可以獲得大連與時間相關(guān)的信息來繪圖和流場的可視化。圖8顯示了某一時刻的六種行李架橫桿在Y=0界面上的渦量等值線圖。0°攻角的橫桿1和橫桿2顯示沒有漩渦的脫落，預(yù)計產(chǎn)生的氣動噪聲非常小。其他四種設(shè)計可以看出有非常明顯的旋渦脫落，預(yù)計會在脫落頻率產(chǎn)生明顯的風(fēng)噪聲。

圖8 Y=0平面的渦量等值線圖，四種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了明顯的旋渦脫落，而另兩種沒有

圖9給出了六種橫桿配置的升力隨時間的變化（Rack 3包括前后橫桿的兩條曲線）。這些曲線與圖8的流場云圖相關(guān)，0°攻角的橫桿1和2沒有出現(xiàn)升力的波動。3號橫桿的后桿顯示非常周期性的大幅震蕩，這種工況產(chǎn)生的氣動噪聲最大。與攻角為12°的獨立行李架模型一致，出現(xiàn)震蕩的情況的頻率集中在250Hz左右?？紤]到氣流來流入射情況的影響，四種模型具有相似的絕對攻角。

圖9 70英里每小時橫桿的升力隨時間的變化

聲學(xué)結(jié)果

圖10繪制了六種行李架橫桿結(jié)構(gòu)的聲壓頻譜圖，所有的結(jié)果都顯示在100Hz處有一個峰值，但在流場云圖中可以看到，主要氣動噪聲出現(xiàn)在256Hz左右。工況3如預(yù)期的那樣，由于嵌套橫桿的耦合效應(yīng)，產(chǎn)生了最大的振幅。沒有脫落渦產(chǎn)生的0°攻角的橫桿1和橫桿2的氣動噪聲水平較低并沒有明顯的峰值。工況4和工況1的結(jié)果幾乎相同，聲壓級頻譜圖中都存在一定的峰值，這是因為橫桿基本相同，只不過工況4的橫桿在偏下游的位置。

圖10 70英里每小時下外部聲壓級仿真結(jié)果

聲壓級頻譜圖的結(jié)果與圖9中升力時域的頻率和幅值完全對應(yīng)，因為噪聲頻率與升力的偶極子相關(guān)。在CFD仿真中，流動、力和聲學(xué)的結(jié)果是一致的，并得出了相同的結(jié)論。從風(fēng)噪的工程角度來看，仿真結(jié)果對六種工況的風(fēng)噪水平產(chǎn)生了一個排名。工況2缺少一個峰值，表現(xiàn)出的噪音最小，工況3的氣動噪聲最大。

試驗結(jié)果

風(fēng)洞試驗

以一輛實車SUV作為試驗對象在通用汽車風(fēng)洞中進(jìn)行測試，對車輛進(jìn)行了一定的處理，保證試驗?zāi)Ｐ团cCFD仿真模型一致，包括密封縫隙，確認(rèn)車頂傾斜角等。同只做了可調(diào)節(jié)的橫桿，來進(jìn)行攻角的變化，并通過一個小型手持傾角計進(jìn)行攻角測量。試驗是在風(fēng)速為70英里每小時下進(jìn)行，車內(nèi)聲壓級通過駕駛座上的麥克風(fēng)進(jìn)行測量，外部噪聲也在于CFD仿真監(jiān)測點位置相同的地方測量，對車輛的處理保證了主要噪聲源限制在行李架橫桿上。車內(nèi)噪聲更能代表車內(nèi)乘員的噪聲感受。外部噪聲是為了驗證CFD仿真的準(zhǔn)確性。本文的研究重點在于比較實驗值和CFD仿真結(jié)果頻譜形狀、相對幅值和不同工況的結(jié)果變化趨勢。

圖11 外部噪聲測量結(jié)果

噪聲在1200Hz以內(nèi)非常明顯，工況3的風(fēng)噪表現(xiàn)最為突出，19°攻角工況2緊隨其后，工況1和工況4產(chǎn)生類似的中等噪聲，0°攻角的工況1和工況2沒有明顯峰值。外部噪聲試驗結(jié)果的趨勢和階次與CFD仿真一致，相同構(gòu)型產(chǎn)生的頻率和幅值相似，而其他兩種構(gòu)型氣動噪聲很小。然而仿真和試驗還是有明顯的差別，CFD得到的主頻約為256Hz，而實驗值得到的主頻約為350Hz。

圖12內(nèi)部聲壓級

主觀評價

作者和同事進(jìn)行了主觀評價和道路測試，對六種工況進(jìn)行了評價。在風(fēng)洞試驗時，乘客坐在車內(nèi)，在實車道路試驗時，SUV行駛在高速公路上，乘客均能明顯感受到來自車頂?shù)脑肼暡町悺３丝桶l(fā)現(xiàn)工況3的行李架發(fā)出的噪聲最大，而0°攻角工況1和工況2是最安靜的，其他工況產(chǎn)生了介于兩者之間的氣動噪聲。

結(jié)論

采用CFD方法對某SUV車頂行李架產(chǎn)生的氣動噪聲進(jìn)行了與預(yù)測，為了便于計算，從一個大計算域中提取了一個包含關(guān)注區(qū)域的小計算域，分析了六種不同構(gòu)型的橫桿，瞬態(tài)模擬提供了流場云圖和升力和阻力隨時間變化的關(guān)系。而壓力波動被用作Lighthill-Curle聲類比的輸入，計算頻域的聲壓級。小計算域的CFD仿真結(jié)果與試驗結(jié)果在峰值所在頻率、相對強度和乘員主觀感受基本一致。由此可以得出，CFD仿真方法是一種有效的工程工具，可用于評估和優(yōu)化汽車行李架橫桿的氣動噪聲。

文獻(xiàn)來源：Kenneth J. Karbon and Urs D. Dietschi.Computational Analysis and Design to Minimize Vehicle Roof Rack Wind Noise[J].SAE Transactions,2005,Vol.114: 649-656

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