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汽車天窗風(fēng)振噪聲研究與優(yōu)化

2019-07-08 22:16:38·  來源：關(guān)青青 AutoAero  
　
天窗的開啟能很好的改進(jìn)乘員艙的氣流循環(huán)，增加進(jìn)氧量，避免駕駛員和乘客因缺氧而產(chǎn)生的疲勞和不適，而且節(jié)能環(huán)保，親近自然，增加駕駛體驗(yàn)。但是打開天窗產(chǎn)生的
天窗的開啟能很好的改進(jìn)乘員艙的氣流循環(huán)，增加進(jìn)氧量，避免駕駛員和乘客因缺氧而產(chǎn)生的疲勞和不適，而且節(jié)能環(huán)保，親近自然，增加駕駛體驗(yàn)。但是打開天窗產(chǎn)生的低頻高強(qiáng)度風(fēng)振噪聲，嚴(yán)重的影響了乘客的乘坐舒適性，同時(shí)研究表明長(zhǎng)處于噪聲環(huán)境下，會(huì)影響駕駛員健康，過大的車廂內(nèi)部噪聲環(huán)境極易分散駕駛員注意力，極易發(fā)生交通事故，因此在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)階段，考慮汽車天窗風(fēng)振噪聲的影響具有很重要的實(shí)際意義。
本文利用某轎車進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，并對(duì)相應(yīng)的模型數(shù)值仿真，分析了天窗風(fēng)振噪聲隨車速變化規(guī)律，并分析了不同開度對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響，同時(shí)討論了整車氣密性對(duì)天窗風(fēng)振噪聲中的影響，最后重點(diǎn)分析了三種典型擾流板在抑制天窗風(fēng)振噪聲中的效果，給出了抑制天窗風(fēng)振噪聲的優(yōu)化方法和策略。
 
01、計(jì)算模型及計(jì)算方法
 
本文采用長(zhǎng)方體計(jì)算域如圖 3 所示，長(zhǎng)約 11 倍車長(zhǎng)，寬約 5 倍車寬，高約 4 倍車高。其中，入口距車頭 3 倍車長(zhǎng)，出口距車尾 7 倍車長(zhǎng)。
本文選用四面體網(wǎng)格，并進(jìn)行局部加密。
本文數(shù)值仿真計(jì)算采用 Star ccm+軟件。計(jì)算所用的邊界條件如表 1：
本文采用 k-ε湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算求解，迭代 1000 次。瞬態(tài)計(jì)算選擇 DES 模擬，選取駕駛員耳旁作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
 
02、天窗風(fēng)振因素分析
1、車速對(duì)風(fēng)振噪聲的影響
天窗風(fēng)振現(xiàn)象是一種亥姆赫茲共振現(xiàn)象，亥姆赫茲共振腔的固有頻率預(yù)測(cè)公式為：
C 是聲速，A 是天窗開口面積，V 代表車內(nèi)聲腔體積，L 代表天窗開口位置到頂棚內(nèi)飾面的高度。
當(dāng)來流渦旋脫落周期與乘用車聲腔固有頻率吻合時(shí)會(huì)發(fā)生風(fēng)振現(xiàn)象。
如圖 6 所示，20kph 車速時(shí)候處于上升，當(dāng)達(dá)到 40kph 車速是處于風(fēng)振峰值最大位置，隨后 開始下降， 60kph 以后處于平穩(wěn),40kph 車速左右的時(shí)候天窗來流渦旋的周期性頻率與車內(nèi)聲腔固有頻率吻合，從而引起了共振，此時(shí)天窗風(fēng)振現(xiàn)象最明顯。
 
2、整車氣密性對(duì)風(fēng)振噪聲的影響
整車氣密性作為檢驗(yàn)密封的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也會(huì)影響天窗風(fēng)振噪聲。
如圖 8 所示，隨著整車氣密性流量增加，風(fēng)振峰值隨之降低。因此，當(dāng)天窗有風(fēng)振現(xiàn)象時(shí)，乘客可以通過側(cè)窗開啟一定的縫隙增加泄漏量來緩解風(fēng)振現(xiàn)象。
3、天窗開度對(duì)風(fēng)振噪聲影響
天窗全開時(shí)，天窗外部主要是數(shù)量較大的小尺度渦旋，天窗開度減小時(shí)，渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)中的能量主要是轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗掉，傳入車內(nèi)的能量降低，車內(nèi)壓力脈動(dòng)較弱，從而風(fēng)振現(xiàn)象降低。由此可知，天窗開發(fā)前期我們可以通過仿真選擇天窗的合適開度，乘用車開發(fā)后期，風(fēng)振現(xiàn)象明顯時(shí)，可以通過增加舒適開度控制策略達(dá)到控制天窗風(fēng)振的目的。
 
03、天窗風(fēng)振擾流板優(yōu)化
加裝天窗擾流板可以改變天窗前邊沿剪切層形成的渦流方向，限制渦流撞擊天窗后邊沿，不規(guī)則的擾流板同時(shí)可以擾亂前邊沿的氣流，抑制前邊沿大尺度渦流的形成，從而達(dá)到改善天窗風(fēng)振噪聲，但不同形狀的擾流板對(duì)改善天窗風(fēng)振噪聲的效果不同，本文選定市場(chǎng)比較典型的三種形狀的擾流板作為研究對(duì)象，為了保證研究的可靠性，擾流板除了形狀不一樣，垂直高度、安裝位置、試驗(yàn)車輛和實(shí)驗(yàn)環(huán)境保持一致。
本文通過某乘用車搭載三種不同形式擾流進(jìn)行仿真，對(duì)比頻譜曲線發(fā)現(xiàn)，板狀和波浪狀的擾流板風(fēng)振峰值 112dB 和 110dB，風(fēng)振現(xiàn)象明顯，鋸齒狀擾流板 93.5dB，風(fēng)振現(xiàn)象消失，鋸齒狀擾流板比板狀和波浪狀擾流板具有更好的擾流效果。
對(duì)比三種不同形式的擾流板湍動(dòng)能云圖 15 可以發(fā)現(xiàn)，板狀擾流板和波浪狀擾流板湍動(dòng)能在天窗外部耗散較之于鋸齒狀擾流板少，進(jìn)入車內(nèi)空間的湍動(dòng)能能量高。
造成這種情況的主要原因是板狀和波浪狀擾流板的比較光滑平整，對(duì)來流只具有導(dǎo)流效果，但對(duì)外部氣流沒有較好的擾流作用，氣流通過擾流板導(dǎo)流后仍比較平整，在天窗的外部能量耗散小，氣流在天窗前邊緣產(chǎn)生大量的大尺度渦旋，渦旋撞擊天窗后邊沿位置產(chǎn)生更強(qiáng)的壓力波，壓力波擴(kuò)散到車內(nèi)產(chǎn)生風(fēng)振現(xiàn)象，而鋸齒狀擾流板對(duì)來流具有很強(qiáng)的擾流作用，氣流通過擾流板以后被打散，使其在天窗前邊緣難以形成大的渦旋撞擊天窗后邊緣，同時(shí)產(chǎn)生大量的小的渦旋，最終轉(zhuǎn)換成熱能耗散掉，進(jìn)入內(nèi)部能量較少，壓力脈動(dòng)減弱，風(fēng)振現(xiàn)象消失。
 
04、結(jié)論
1、車速是影響天窗風(fēng)振的一個(gè)重要因素，隨著車速的升高，風(fēng)振峰值聲壓級(jí)先升高，某一個(gè)車速下達(dá)到一個(gè)峰值，隨后會(huì)降低，到達(dá)某一車速后趨于平穩(wěn)。
2、天窗開啟的乘用車可以簡(jiǎn)化成單一自由度阻尼彈簧質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，氣密性決定系統(tǒng)的阻尼，隨著整車泄漏量的升高，風(fēng)振峰值降低。
3、隨著天窗開度的降低，共振點(diǎn)聲壓級(jí)隨之下降，增加舒適開度是解決天窗風(fēng)振的一個(gè)有效策略。
4、擾流板是解決天窗風(fēng)振的一個(gè)重要措施，鋸齒狀擾流板較之其他擾流板除了具備導(dǎo)流效果以外，還有更好的擾流效果，對(duì)于抑制天窗風(fēng)振作用更加明顯。
文章選自：
江財(cái)茂, 張斌瑜, 周萬田, et al. 汽車天窗風(fēng)振噪聲研究與優(yōu)化[C]// 2018中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì). 0.
 
編者：關(guān)青青
評(píng)論潤(rùn)色：張英朝
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請(qǐng)聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！ 
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