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汽車高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲與車輛乘坐舒適性息息相關(guān)，汽車生產(chǎn)商和消費(fèi)者對(duì)氣動(dòng)噪聲的要求也越來(lái)越高。本文利用基于分子動(dòng)力學(xué)算法的氣動(dòng)噪聲計(jì)算軟件Aries對(duì)高速行駛的某型號(hào)汽車進(jìn)行了外流場(chǎng)瞬態(tài)分析并對(duì)車外氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了計(jì)算。得到了汽車外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲源的主要部位，并針對(duì)這些部位對(duì)車外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲影響做了定量分析，得到了監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的聲壓頻譜圖。

1、引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)商和消費(fèi)者對(duì)汽車乘坐的舒適性的要求越來(lái)越高，而汽車高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲與車輛乘坐舒適性息息相關(guān)[1]。氣動(dòng)噪聲是指汽車行駛時(shí)空氣與車身的相互作用而產(chǎn)生的噪聲，俗稱“風(fēng)噪聲”[2]，主要包括風(fēng)窗噪聲、泄漏噪聲以及空腔共鳴等[3]。有關(guān)研究指出[4-5]，當(dāng)車速超過(guò)100Km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲成為汽車噪聲的主要貢獻(xiàn)源，是影響乘坐舒適性的重要因素。而目前高速公路上的車速大多超過(guò)了100Km/h，因此對(duì)如何降低及有效預(yù)測(cè)氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為全球各大汽車公司研究汽車NVH(Noise、Vibration、Harshness)的重要內(nèi)容之一。

氣動(dòng)噪聲的研究方法主要有兩種：一種是風(fēng)洞試驗(yàn)方法，另一種是數(shù)值計(jì)算方法。就這兩種研究方式而言，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的研究方式既費(fèi)時(shí)又昂貴，而數(shù)值計(jì)算可以替代部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，能夠較好的預(yù)測(cè)汽車車內(nèi)以及汽車高速行駛時(shí)車外遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)聲場(chǎng)特性，從而為汽車設(shè)計(jì)與噪聲控制提供依據(jù)。目前氣動(dòng)噪聲的數(shù)值研究方法主要有三種：邊界元、有限元與統(tǒng)計(jì)能量法。一般來(lái)說(shuō)，有限元和邊界元方法適用于200Hz以下頻率范圍，而統(tǒng)計(jì)能量分析方法適合于50Hz以上頻率段的振動(dòng)聲學(xué)特性分析。而氣動(dòng)噪聲是一個(gè)全頻段分布，因此對(duì)于汽車的氣動(dòng)噪聲仿真要得到一個(gè)準(zhǔn)確的仿真計(jì)算結(jié)果，應(yīng)采用一種適用于全頻段噪聲與振動(dòng)分析的仿真工具。

本文利用基于分子動(dòng)力學(xué)算法的Aries軟件，對(duì)高速行駛的某型號(hào)汽車的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了全頻段仿真分析。Aries是一款基于分子運(yùn)動(dòng)學(xué)、全瞬態(tài)、精確計(jì)算顯式求解的氣動(dòng)分析計(jì)算軟件，針對(duì)將波段從近場(chǎng)聲源傳播到遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)器的難題，Aries噪聲分析模塊采用了根據(jù)近場(chǎng)輸入預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的積分技術(shù)。其原理為：根據(jù)分子碰撞理論，計(jì)算不同時(shí)刻流場(chǎng)中各個(gè)點(diǎn)的分子團(tuán)密度函數(shù)，從而得到各點(diǎn)的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)、溫度分布與速度分布；根據(jù)氣動(dòng)聲學(xué)理論的FWH方程(Ffowcs Williams/Hawkings)，用非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果作為輸入，根據(jù)聲波傳播的環(huán)境和測(cè)點(diǎn)的布局來(lái)計(jì)算噪聲。通過(guò)仿真計(jì)算得到汽車外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲源的主要部位，并針對(duì)這些部位對(duì)車外監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲影響做定量分析，得到各個(gè)檢查點(diǎn)上的聲壓頻譜圖。根據(jù)得到的可視化圖形結(jié)果，對(duì)車身相關(guān)部位做出適當(dāng)調(diào)整，以指導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)。

2、研究方法

有關(guān)研究表明[6]：運(yùn)動(dòng)車輛車速越大，車身表面流速越大，脈動(dòng)壓力的脈動(dòng)幅度越大，各頻率上對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)就越大，總聲壓級(jí)也越大，故輻射噪聲就越大。這是因?yàn)楦咚贇饬鹘?jīng)過(guò)汽車外表面時(shí)，由于汽車表面存在不規(guī)則的曲面和結(jié)構(gòu)，這就會(huì)導(dǎo)致氣流發(fā)生嚴(yán)重的分離，形成復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而出現(xiàn)很高的氣動(dòng)噪聲[7]。因此，氣動(dòng)聲學(xué)屬于流體聲學(xué)的范疇，被定義為可壓縮非定常問(wèn)題，一般看作是流體力學(xué)與聲學(xué)的結(jié)合。Aries軟件包含了一整套集成的計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算聲學(xué)技術(shù)，包括波爾茲曼方程算法和聲類比方程Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)。

2.1 玻爾茲曼方程

與基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的傳統(tǒng)計(jì)算方法不同，Aries基于分子動(dòng)力學(xué)，是從微觀動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),將流體的宏觀運(yùn)動(dòng)看作是大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，宏觀的物理量可由微觀粒子的統(tǒng)計(jì)平均得到。這些流體粒子在離散的格子上按一定規(guī)則進(jìn)行遷移和碰撞演化。流體粒子演化規(guī)則可由玻爾茲曼動(dòng)力學(xué)方程的BGK近似形式描述：

公式1

忽略粒子間的作用，可由公式1得到：

公式2

其中Ω(f)為碰撞項(xiàng)，表示由于兩體碰撞引起的分布函數(shù)的變化。方程中的其他符號(hào)是：ξ是三維微觀速度，g是外力場(chǎng)的加速度，▽ξ是速度空間中的梯度算子。f=f(x,ξ,t)是相空間(x,ξ)中的單粒子分布函數(shù)。feq為Maxwell平衡態(tài)分布。

碰撞項(xiàng)的一個(gè)重要特征是碰撞過(guò)程中質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒。即有：

公式3

將上述積分應(yīng)用于玻爾茲曼方程，我們得到了質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程：

公式4

公式5

公式6

其中，P和S為壓力張量和熱通量。

2.2 Ffowcs Williams-Hawkings方程(FW-H方程)

1969年，F(xiàn)fowcs Williams和Hawkings將Curle的結(jié)果[8]擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)固體邊界，提出了Ffowcs Williams-Hawkings方程(簡(jiǎn)稱FW-H方程)[9]。

其中，方程右邊第一項(xiàng)是Lighthill聲源項(xiàng)，為四極子聲源；第二項(xiàng)表示由表面脈動(dòng)壓力引起的聲源(力分布)，是偶極子聲源；第三項(xiàng)表示由表面加速度引起的聲源（流體位移分布），是單極子聲源。Lighthill聲源項(xiàng)只存在于運(yùn)動(dòng)固體表面之外，在表面內(nèi)為零；第二、三聲源項(xiàng)僅在固體表面上產(chǎn)生。

3、計(jì)算方法及邊界/初始條件

邊界條件設(shè)置：入口速度v入=33.3m/s，出口壓力p出=0，車身為靜止無(wú)滑移邊界，地面為移動(dòng)壁面，速度與入口來(lái)流速度相同，其他為對(duì)稱邊界，法向速度為0。初始條件設(shè)置：計(jì)算域中介質(zhì)為均勻空氣，壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流場(chǎng)速度分布為汽車行駛速度。利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，并用FW-H方程對(duì)汽車外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲計(jì)算。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)頻率超過(guò)5000Hz時(shí)，車身表面脈動(dòng)壓力和車外噪聲能量都相對(duì)較小，同時(shí)根據(jù)采樣定律，采集頻率不小于最高頻率的2倍。因此，計(jì)算的最高頻率為5000Hz，時(shí)間步長(zhǎng)為10-4s，采樣時(shí)間取0.1s。

圖5 噪聲參數(shù)設(shè)置

4、計(jì)算結(jié)果及分析

實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)理論研究[10-13]表明，汽車的氣動(dòng)噪聲與渦流流動(dòng)密切相關(guān)，存在漩渦的地方壓力系數(shù)的負(fù)值較大，變化頻率也較大。因此渦流區(qū)的氣流流動(dòng)是研究氣動(dòng)噪聲的重點(diǎn)之一。

圖6為車身表面靜壓力云圖，圖7為車身表面壓力系數(shù)圖，由圖中可以看出A柱、C柱、后視鏡、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、車頂前后緣、汽車尾部以及前車輪上壓力梯度變化較大，產(chǎn)生負(fù)壓梯度區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)氣流分離區(qū)。

圖6 車聲表面壓力云圖

圖7 車身表面壓力系數(shù)云圖

汽車行駛時(shí)，前方來(lái)流首先遇到車身頭部前端，使氣流受阻，速度大大降低，氣流的動(dòng)壓變?yōu)殪o壓，因此在車頭前部形成一個(gè)正壓區(qū)。同樣在氣流受阻的頭部上方形成正壓區(qū)。在車頭的拐角和車身前端側(cè)部由于氣流發(fā)生分離，流速比較大，因此出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。車身的后部由于發(fā)生了氣流的分離出現(xiàn)了小部分面積的正壓區(qū)。在車的尾部則是負(fù)壓區(qū)。

圖8為車身表面速度分布云圖，圖9為車身表面速度分布矢量圖，圖10為車身周圍速度分布矢量圖，由圖8～圖10可以看出車頭前緣、A柱、后視鏡、C柱周圍、風(fēng)窗的上部、車頂?shù)暮缶壱约捌囄膊克俣忍荻茸兓^大，這是因?yàn)檫@幾處都有較大的拐角，氣流在此分離，使得流速加快。

圖8 車身表面速度分布云圖

圖9 車身表面速度分布矢量圖

圖10 車身周圍速度分布矢量圖

氣流從模擬風(fēng)洞的速度入口吹入風(fēng)洞，在氣流吹到車頭部門時(shí)，氣流受到汽車的阻礙，其流動(dòng)速度降低，氣流的流動(dòng)方向發(fā)生改變。流經(jīng)車身上表面的氣流基本上能夠沿這車身的形狀進(jìn)行貼體流動(dòng)。氣流在車尾部產(chǎn)生分離形成尾流區(qū)，如圖10所示。

圖11為車身表面聲壓圖，聲壓是大氣壓受到聲波擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，通過(guò)對(duì)車身聲壓計(jì)算可得到聲功率，聲功率反映了單位時(shí)間向外輻射的聲能。從圖11可以看出，A柱、后視鏡、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前輪、C柱周圍的聲功率較大，具有較強(qiáng)的向外輻射噪聲的能力。

圖11 車身表面聲壓圖

由圖6～11可知，汽車前臉處和后視鏡處的壓力最大，在有氣流分離區(qū)的A柱附近、發(fā)動(dòng)機(jī)罩處、車輪處，其表面聲源分布較集中，而最大聲壓分布在后視鏡的邊緣處。由以上分析可知，在相對(duì)流速較大、壓力梯度較高、聲壓值較大的地方，脈動(dòng)壓力值也較大，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲也較強(qiáng)。

圖12為計(jì)算過(guò)程中輸出的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件后處理的傅里葉變換功能得到聲壓頻譜圖。由圖12中各聲壓級(jí)在各個(gè)頻率的分布可以看出，聲壓級(jí)屬于寬頻譜。同時(shí)，在300Hz內(nèi)的低頻區(qū)域，聲壓級(jí)驟降較為明顯；在300Hz及以上的較高頻區(qū)域，聲壓級(jí)下降緩慢，最終穩(wěn)定在65dB左右。

圖12 檢測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜圖

5、總結(jié)

利用基于分子動(dòng)學(xué)方法的Aries軟件，對(duì)汽車外場(chǎng)進(jìn)行噪聲的仿真計(jì)算，得到汽車表面脈動(dòng)壓力云圖、速度分布云圖及矢量圖、表面聲壓云圖。仿真結(jié)果表明：車身前臉、后視鏡、A柱、前輪雨刮器這些暴露在高速氣流中的部件，由于拐角較大，速度、壓力梯度較大，直接導(dǎo)致了噪聲的產(chǎn)生。因此，減小車身前臉處、后視鏡處的氣流分離，改變后視鏡的圓角大小，降低前風(fēng)窗玻璃處的傾角大小，可減小汽車高速行駛時(shí)的氣動(dòng)噪聲。

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