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天窗風振噪聲控制之流道-開槽導流板方案設(shè)計

2020-06-24 21:24:46·  來源：中國汽研汽車風洞技術(shù)  作者：張全周  
　
汽車風振噪聲已成為當前汽車NVH領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一，由于風振噪聲產(chǎn)生機理的特殊性和有效控制存在的技術(shù)難點，開展汽車風振噪聲快速預測方法、多因素影響規(guī)
 
汽車風振噪聲已成為當前汽車NVH領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一，由于風振噪聲產(chǎn)生機理的特殊性和有效控制存在的技術(shù)難點，開展汽車風振噪聲快速預測方法、多因素影響規(guī)律及內(nèi)在機理分析和優(yōu)化控制研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。中國汽研風洞中心通過研究已形成非常實用的汽車風振噪聲控制低成本方案，將有效助力車企汽車風振噪聲性能整體提升。本公眾號將通過三期內(nèi)容介紹相關(guān)研究成果，特別致謝風振噪聲專家安長發(fā)博士的突出貢獻。
 
作者簡介
 
 
張全周博士： 
    
中國汽研汽車風洞中心風噪性能開發(fā)工程師， 長期從事風振噪聲研究與開發(fā)工作，相關(guān)研究成果已在JVC、Applied Acoustics、汽車工程等學術(shù)刊物上發(fā)表。
 
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1. 天窗風振噪聲問題車速區(qū)間識別
汽車風振噪聲通常發(fā)生于特定車速區(qū)間內(nèi)，其與車速關(guān)聯(lián)密切。中國汽研風洞中心以某實車為例，計算分析車速對天窗風振噪聲頻域特征的影響，以識別其問題車速區(qū)間。
 
風振噪聲主頻率一般在20Hz左右，其波長跨度遠超過車廂的空間尺寸，故其頻域特征在空間分布上具有一致性。在研究過程中均統(tǒng)一針對駕駛員右耳處的風振噪聲頻譜開展分析。圖1顯示了駕駛員右耳處的天窗風振噪聲聲壓級峰值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140dB，故該實車存在極其嚴重的天窗風振噪聲問題。后續(xù)將針對天窗風振噪聲最為嚴重的車速工況（V1=90km/h），開展其控制方法研究。
 
圖1 天窗風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL隨車速V1的變化關(guān)系
 
2. 流道-開槽導流板控制方案設(shè)計
導流板是當前最為常見的天窗風振噪聲控制措施，選型、布置安裝等均會對其降噪效果造成影響。有研究表明[1]，平直導流板可較好地改善汽車天窗風振噪聲性能，且在其后緣開槽，可使其降噪效果進一步提升。但是，現(xiàn)有研究多未考慮天窗前緣端面與導流板前緣之間流道的影響，且并不存在一款確定的導流板可完美解決所有車型的天窗風振噪聲問題。鑒于此，中國汽研汽車風洞中心提出了一種流道-開槽導流板控制方案，同時呈現(xiàn)了一套完整的導流板設(shè)計開發(fā)流程。
 
流道-開槽導流板初步設(shè)計
 
考慮導流板選型及安裝布置等問題，提出了流道-開槽導流板控制方案，其具體型式及相關(guān)設(shè)計參數(shù)如圖2所示。當天窗處于關(guān)閉狀態(tài)時，導流板被收納在天窗前緣的雨水槽內(nèi)；天窗開啟后，導流板受其連接臂上的彈簧作用被彈起。該導流板的上、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)計開發(fā)過程中，若依次對每個設(shè)計參量進行計算分析，工作量巨大，將大為延緩研發(fā)周期。鑒于該導流板方案由平直導流板演變而來，故其部分設(shè)計參量可參考平直導流板相關(guān)研究加以確定。
 
圖2 流道-開槽導流板控制方案
 
汽車風振噪聲專家安長發(fā)博士曾基于CFD仿真探討了平直導流板高度Height和安裝角度Angle對天窗風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL的影響[2]。結(jié)果顯示，當Angle在0°-60°區(qū)間內(nèi)變化時，以Angle=40°時的Peak SPL最?。划擧eight在43-60mm區(qū)間內(nèi)變化時，Peak SPL基本維持不變。故流道-開槽導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（對應于安博士研究中的Height），取43mm（注：導流板高度過高不利于氣動減阻）。至于其它設(shè)計參量，即形狀參量a、W和D，以及位置參量gap，后續(xù)將通過影響分析的方法加以確定。此處先給定一個初步設(shè)計方案，即形狀參量a=10mm、b=43mm、W=60mm、D=15mm（其中，槽寬W、槽深D與原始城堡型導流板的相應參量一致），以及位置參量gap=15mm，φ=50°。接下來將基于此初步設(shè)計方案，對流道-開槽導流板的降噪作用進行分析。以下計算分析均在天窗風振噪聲最嚴重的車速（V1=90km/h）工況下展開。
流道-開槽導流降噪作用分析
 
降噪效果分析
圖3對比了原始城堡型導流板和流道-開槽導流板初步方案所對應的聲壓級頻譜。結(jié)果顯示，原始城堡導流板對應的風振噪聲聲壓級峰值為142.7dB@24Hz，流道-開槽導流板初步方案對應的風振噪聲聲壓級峰值為110.4dB@25Hz。可見，替換為流道-開槽導流板初步方案后，Peak SPL降幅達32.3dB，降噪效果顯著。
 
圖3 原始城堡型導流板和流道-開槽導流板初步方案所對應的聲壓級頻譜
 
降噪機制分析
流道-開槽導流板的降噪機理，尤其是天窗前緣端面與導流板前緣之間流道對天窗風振噪聲的影響尚不明晰，此處將從流道的降噪作用、開槽的降噪作用兩個方面對該導流板方案的降噪機制進行探究。
 
（1） 流道的降噪機制
為探究流道的降噪作用，在流道-開槽導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比。
 
圖4對比了初步方案（去除流道）和初步方案所對應的聲壓級頻譜。結(jié)果顯示，去除流道時，風振噪聲聲壓級峰值為120.5dB@25Hz；與之相較，增設(shè)流道后，相應的風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL降至110.4dB，降幅達10.1dB。可見，該流道對于天窗風振噪聲抑制具有積極作用。
 
從流場角度對流道的降噪機理進行探究。圖5對比了無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）無流道時，掠過天窗前緣的氣流在導流板正面的引導下，沿路徑1向后流動；而增設(shè)流道后，掠過導流板的氣流被分成了兩部分，一部分依舊在導流板正面的引導下，沿路徑1向后流動，而另有一部分氣流經(jīng)流道，沿路徑2流動至導流板背部區(qū)域。2）在導流板后緣，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分離現(xiàn)象。進一步觀察B區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)，無流道情況下的流動分離明顯強于有流道的情況。圖6為無流道和有流道兩種情況下，天窗區(qū)域的Q準則云圖。對比可知：無流道情況下，天窗中后部及天窗后緣附近（C區(qū)域）的渦團尺度更大，且有更多的渦團經(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)壓力擾動也更大，天窗風振噪聲也更為顯著。
 
圖4  初步方案（去除流道）和初步方案所對應的聲壓級頻譜 
 
圖5  有、無流道情況下，天窗前緣區(qū)域的速度云圖 
 
圖6  有、無流道情況下，天窗區(qū)域的Q準則云圖
 
可見，增設(shè)流道抑制了天窗前緣的氣流流動分離，進而對自上游向下游的旋渦運動/遷移、后緣的旋渦撞擊破碎過程造成影響，最終起到了削弱車內(nèi)壓力擾動，抑制天窗風振噪聲的作用。
 
（2）開槽的降噪機制
為探究開槽的降噪作用，在流道-開槽導流板初步方案的基礎(chǔ)上，填充起導流板后緣開槽，稱該方案為“初步方案（不開槽）”，與初步方案做分析對比。
 
圖7對比了初步方案（不開槽）和初步方案所對應的聲壓級頻譜。結(jié)果顯示，不開槽時，風振噪聲聲壓級峰值為116.8dB@25Hz，與之相較，開槽后，相應的風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL降至110.4dB，降幅達6.4dB?？梢?，導流板后緣開槽有助于抑制天窗風振噪聲。
從流場角度對后緣開槽的降噪機理進行探究。圖8對比了導流板后緣不開槽和開槽兩種情況下，以靜壓渲染的天窗區(qū)域Q準則等值面圖。結(jié)果顯示：不開槽時，除天窗左、右兩側(cè)邊緣附近外，其余各處的渦團在展向上均勻分布；開槽后，渦團在展向上的均勻分布被打破，在A區(qū)域，渦團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。這種展向分布不均性，將促進展向上的渦團間相互作用，耗散能量的同時，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]，加之開槽后，導流板后方區(qū)域能量耗散加劇，故導流板后緣開槽有助于降低車內(nèi)風振噪聲。
 
圖7  初步方案（不開槽）和初步方案所對應的聲壓級頻譜
 
圖8  有、無開槽情況下，天窗區(qū)域的Q準則等值面圖
 
綜上，流道-開槽導流板兼顧流道和開槽的降噪功用，從而可以抑制天窗風振噪聲聲壓級峰值。
設(shè)計參數(shù)影響分析
 
現(xiàn)通過影響分析的方法探究流道、開槽相關(guān)設(shè)計參數(shù)對天窗風振噪聲的影響規(guī)律，以選定一個較優(yōu)的流道-開槽導流板控制方案。
 
流道相關(guān)設(shè)計參數(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，以探究縫隙寬度對天窗風振噪聲的影響規(guī)律。圖9（a）顯示了不同縫隙寬度gap所對應的聲壓級頻譜?？芍弘S著縫隙寬度gap的增大，風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL先升后降，以gap=20mm時最小。
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，取導流板下部高度a=5、10和15mm，以探究導流板下部高度對天窗風振噪聲的影響規(guī)律。圖9（b）顯示了不同導流板下部高度a所對應的聲壓級頻譜?？芍猴L振噪聲聲壓級峰值Peak SPL隨著導流板下部高度a的增大而降低，以a=15mm時最小。
 
圖9  流道相關(guān)設(shè)計參數(shù)影響分析 
 
開槽相關(guān)設(shè)計參數(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，以探究槽深對天窗風振噪聲的影響規(guī)律。圖10（a）顯示了不同槽深D所對應的聲壓級頻譜。可知：隨著槽深D的增大，風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL變化很小，其中以D=20mm時的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，以探究槽寬對天窗風振噪聲的影響規(guī)律。圖10（b）顯示了不同槽寬W所對應的聲壓級頻譜?？芍弘S著槽寬W的增大，風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL先降后升，以W=60mm時最小。
 
圖10  開槽相關(guān)設(shè)計參數(shù)影響分析
 
 
綜上，最終選定了較優(yōu)的流道-開槽導流板方案（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。
導流板優(yōu)選方案降噪效果分析
 
 
圖11所示為原始城堡型導流板、流道-開槽導流板初步方案、流道-開槽導流板優(yōu)選方案所對應的聲壓級頻譜。由圖可知：相比于原始城堡型導流板，流道-開槽導流板初步方案對應的風振噪聲聲壓級峰值Peak SPL由142.7dB降低至110.4dB，降幅達32.3dB；經(jīng)影響分析，優(yōu)選方案對應的Peak SPL又進一步降低了9.8dB，至100.6dB，降幅高達42.1dB。至此，實現(xiàn)了實車天窗風振噪聲的有效控制。
 
圖11 原始城堡型導流板、流道-開槽導流板初步方案和優(yōu)選方案所對應的聲壓級頻譜對比
 
3 小 結(jié)
圍繞汽車風振噪聲預測方法與優(yōu)化控制問題，在風振噪聲專家安長發(fā)博士的指導下，中國汽研風洞中心開展了汽車風振噪聲計算模型與分析、基于時變車速狀態(tài)的風振噪聲快速預測方法及應用、考慮車速-側(cè)風耦合的風振噪聲預測模型建模及應用、抑制前緣旋渦脫落的風振噪聲優(yōu)化控制方案，以及道路試驗驗證等一系列工作。
經(jīng)綜合考慮降噪效果、安裝布置，以及是否會額外引入風阻、高頻風噪等因素，發(fā)現(xiàn)“抑制前緣旋渦產(chǎn)生/脫落”是當前較為可行的風振噪聲控制方法。本期所介紹的流道-開槽導流板控制方案設(shè)計方法所得到的優(yōu)先方案通過實車驗證可以實現(xiàn)天窗風振噪聲的有效控制，可廣泛應用于工程實踐。
下期預告：
風振噪聲控制技術(shù)分享（三）| 基于前緣子空腔的天窗風振噪聲優(yōu)化控制方案
參考文獻
[1] Karbon K, Singh R. Simulation and design of automobile sunroof buffeting noise control [C]. 8th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference & Exhibit, Breckenridge, 17-19 June, 2002.
[2]  An C F, Singh K. Optimization study for sunroof buffeting reduction [R]. SAE Technical Paper 2006-01-0138, 2006.
[3] 胡興軍, 張揚輝, 董春波, 等.來流邊界層對空腔風振噪聲影響[J/OL]. 吉林大學學報(工學版): 1-16[2020-04-14]. https://doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20190812.
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