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某車型后視鏡氣動噪聲仿真優(yōu)化
2020-07-29 23:17:32· 來源：汽車CFD技術(shù)之家
摘要：為確保高速工況下，某SUV 車型具有較優(yōu)的風(fēng)噪性能，本文采用商業(yè)軟件STAR-CCM+與VA One 相結(jié)合的方法，仿真分析了后視鏡造型對風(fēng)噪的影響，并對后視鏡提出
摘要：為確保高速工況下，某SUV 車型具有較優(yōu)的風(fēng)噪性能，本文采用商業(yè)軟件STAR-CCM+與VA One 相結(jié)合的方法，仿真分析了后視鏡造型對風(fēng)噪的影響，并對后視鏡提出優(yōu)化方案。該研究方法與結(jié)果對汽車風(fēng)噪研究以及后視鏡外造型設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
近年來SUV 車型越來越受到消費(fèi)者的青睞，各大車企紛紛推出各自SUV 車型。隨著市場競爭的日益白熱化，顧客購車更加注重汽車的品質(zhì)和乘坐舒適性，對NVH 性能要求愈來愈高。通常風(fēng)噪聲隨著車速的增高而逐漸凸顯，并成為汽車的主要噪聲來源，過高的風(fēng)噪聲使得顧客感到煩躁與不適[1]，故而車企對SUV 的風(fēng)噪性能開發(fā)也變得更加謹(jǐn)慎和重視。
過往研究中，風(fēng)噪性能的優(yōu)化多基于汽車外造型及車身附件，但工程師們更關(guān)注A 柱與后視鏡對風(fēng)噪的影響[2-5]，從降風(fēng)噪角度考慮，必須對后視鏡的造型特征加以限制。而當(dāng)車速超過100km/h 時(shí)，氣動聲源主要集中在中頻與高頻范圍內(nèi)[6]，為了更好的捕捉高頻信息，本文采用STAR-CCM+做CFD計(jì)算，并與全頻段振動噪聲軟件VA One 相結(jié)合，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析法
（Statistical Energy Analysis，SEA）對某SUV車型做整車風(fēng)噪仿真分析，綜合開發(fā)過程中的各種限制因素來優(yōu)化后視鏡造型。
目前近場聲壓的求解一般有三個(gè)途徑：可壓縮計(jì)算、聲類比法和聲擾動方程（Acoustic Perturbation Equations）。其中APE 方法是基于不可壓縮流體，計(jì)算產(chǎn)生的雜散效應(yīng)較小，比純可壓縮流模擬結(jié)果更加精確。基于此點(diǎn)考慮，本文采用APE 方法進(jìn)行模擬仿真，并在實(shí)際計(jì)算中不考慮對流情況，且是對指定的噪聲區(qū)域進(jìn)行求解。
1 氣動聲學(xué)模型設(shè)置
1.1 模型域及網(wǎng)格
本文基于某SUV 造型面進(jìn)行仿真優(yōu)化，重點(diǎn)關(guān)注后視鏡區(qū)域?qū)︼L(fēng)噪的影響。整個(gè)計(jì)算域?yàn)殚L方體，其大小保證內(nèi)部模擬不受計(jì)算域影響，如圖1所示。由于風(fēng)噪的仿真受模型精度影響較大，必須采用合理的網(wǎng)格策略。為確保仿真精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算資源與時(shí)間，采用切面體網(wǎng)格策略，且僅對左A 柱及后視鏡區(qū)域重點(diǎn)加密，以嚴(yán)格控制網(wǎng)格數(shù)量，該區(qū)域體網(wǎng)格單元為2mm，并在車身周圍生成精細(xì)的棱柱網(wǎng)格，確保充分考慮流體運(yùn)動所產(chǎn)生的邊界層效應(yīng)，其他加密域與風(fēng)洞域網(wǎng)格具體劃分見圖2。
圖1 計(jì)算域模型
圖2 網(wǎng)格及加密區(qū)
1.2 物理模型選擇
內(nèi)場聲壓的計(jì)算需要用到瞬態(tài)仿真結(jié)果，本文穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用k-ω 湍流模型，迭代求解2000步，具體邊界條件設(shè)置如下表1。
表1 邊界條件
計(jì)算域邊界 邊界設(shè)置
入口/ km/h 100
出口/ Pa 0
車身 無滑移
輪胎 旋轉(zhuǎn)
風(fēng)洞域地面 無滑移，速度矢量
風(fēng)洞域側(cè)面及頂 滑移
對于瞬態(tài)計(jì)算，利用聲擾動方程（APE）理論來模擬不可壓縮流體流動產(chǎn)生的噪聲。這個(gè)方法，要在STAR-CCM+中激活聲波模型，模擬指定區(qū)域內(nèi)的聲壓，作為在VA ONE 中的聲學(xué)壓力輸入，因此該模型設(shè)置的一個(gè)關(guān)鍵部分是定義計(jì)算噪聲的區(qū)域[7]，即需創(chuàng)建函數(shù)來定義噪聲源濾波和聲學(xué)阻尼區(qū)，該阻尼區(qū)如下圖3 所示。整個(gè)瞬態(tài)分析時(shí)間步長為2e-5s，每時(shí)間步迭代7 次，
總時(shí)長0.3s，為了使計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，在計(jì)算0.1s 后開始采集數(shù)據(jù)信息并輸出。
圖3 聲學(xué)阻尼區(qū)
2 整車聲腔模型建立
本文基于統(tǒng)計(jì)能量分析理論，在VA One 軟件中建立整車SEA 模型，對整車不同零部件采用平板和單曲率板進(jìn)行模擬，將乘員艙分別劃分為頭部、腰部、腿部聲腔，同時(shí)保證各子系統(tǒng)之間的耦合是弱耦合，且子系統(tǒng)由局部模態(tài)控制，然后通過面連接實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的能量傳遞，并對各零部件的物理屬性、阻尼損耗因子、模態(tài)密度等進(jìn)行定義，最后根據(jù)實(shí)車狀況添加聲學(xué)包，
包括前圍內(nèi)隔音墊、前圍外隔熱墊、地毯、頂棚等聲學(xué)包，其中阻尼損耗因子、模態(tài)密度以及相關(guān)聲學(xué)包參數(shù)均來源于試驗(yàn)測試得到的結(jié)果，以
保證SEA 模型更加符合真實(shí)模型計(jì)算需求。綜上所述，所建立整車SEA 模型如圖4 所示。
圖4 整車聲腔模型
3 模型介紹
3.1 基礎(chǔ)模型結(jié)果分析
原始的后視鏡模型與側(cè)窗距離較近，且與側(cè)窗幾近無夾角，但模型較為完整，故保留所有細(xì)節(jié)作為優(yōu)化的基礎(chǔ)模型，其Z 向截面如下圖5所示。
圖5 后視鏡基礎(chǔ)模型（Z 向視圖）
對baseline 模型仿真結(jié)果做傅里葉變換（ FFT ） 后處理， 得到駕駛員側(cè)側(cè)窗在200Hz-6000Hz 范圍內(nèi)的A 計(jì)權(quán)聲壓級分布云圖、湍流壓力脈動云圖以及后視鏡Z 向截面的功率譜密度云圖。
圖6 側(cè)窗A 計(jì)權(quán)聲壓級云圖
圖7 側(cè)窗湍流壓力脈動云圖
從上圖6、7 可知，在同頻段范圍內(nèi)，湍流壓力與聲壓強(qiáng)度分布上有所重合，且后者量級相較于前者差約20-40dB，由于二者加載到內(nèi)場聲腔模型的方式不一樣，響應(yīng)差異明顯，都不能忽視。圖6 聲強(qiáng)云圖顯示，由于后視鏡與側(cè)窗相對位置不合理，在后視鏡附近的側(cè)窗及尾流區(qū)域，有較大的壓力脈動，是聲源的主要發(fā)生區(qū)。圖7 可看出前方來流經(jīng)A 柱與后視鏡耦合作用發(fā)生分離，這些分離渦帶有較大的能量，反應(yīng)在側(cè)窗表面即為湍流壓力脈動，部分脈動能量會轉(zhuǎn)化成聲能量。在后視鏡尾流區(qū)，側(cè)窗表面壓力脈動有明顯的增大（圖7 虛線框內(nèi)），這說明結(jié)構(gòu)不恰當(dāng)，導(dǎo)致流經(jīng)后視鏡的脫落渦，經(jīng)過充分發(fā)展，使帶有能量的碎渦再附著到側(cè)窗上，正如圖8 所示，它將嚴(yán)重影響駕駛員側(cè)氣動噪聲。因此需要優(yōu)化這種現(xiàn)象，改善后視鏡尾流區(qū)域氣體的流動走勢，避免帶有較大能量的分離渦再附著側(cè)窗，減小側(cè)窗上壓力脈動與聲源區(qū)的大小，以改善駕駛側(cè)內(nèi)場聲學(xué)水平，達(dá)到降風(fēng)噪的目的。
圖8 功率譜密度云圖（Z 向視圖）
3.2 后視鏡模型仿真優(yōu)化
后視鏡的造型受限制于很多因素（視野、法規(guī)等），本文重點(diǎn)優(yōu)化后視鏡與側(cè)窗距離及夾角（X 向），并配以鏡殼的局部型面改動，如圖9所示，優(yōu)化1 僅改變夾角，優(yōu)化2 在優(yōu)化1 的基礎(chǔ)上增大與車身距離，同時(shí)優(yōu)化局部鏡殼型面。
圖9 后視鏡優(yōu)化模型（Z 向視圖）
優(yōu)化模型仿真結(jié)果如下圖10、11 所示，其分別為駕駛員側(cè)側(cè)窗在200Hz-6000Hz 范圍內(nèi)的A計(jì)權(quán)聲壓級分布云圖、Z 向功率譜密度云圖。
圖10 側(cè)窗A 計(jì)權(quán)聲壓級云圖
圖11 功率譜密度云圖（Z 向視圖）
從圖10 可以看出，優(yōu)化后的后視鏡能明顯改善側(cè)窗表面的A 計(jì)權(quán)聲壓級峰值與分布。圖11功率譜密度顯示，優(yōu)化后的后視鏡尾流區(qū)域明顯減小，尾渦所攜帶較大能量的區(qū)域范圍也大大縮小，尤其是優(yōu)化模型2，對比圖8 與圖11 可發(fā)現(xiàn)，由于改變了距離與夾角（X 向視圖），尾流區(qū)域氣流明顯遠(yuǎn)離側(cè)窗，避免了再附著現(xiàn)象的發(fā)生，在一定程度上改善了風(fēng)噪水平。這一明顯改善亦可
從圖7 與圖12 的對比中顯現(xiàn)。
圖12 側(cè)窗湍流壓力脈動云圖（Opt 2）
圖13 駕駛員側(cè)內(nèi)場聲壓級
將基礎(chǔ)狀態(tài)、優(yōu)化1、優(yōu)化2 三個(gè)方案經(jīng)CFD計(jì)算得到的對流壓力和聲學(xué)壓力分別通過擴(kuò)散聲場和和湍流邊界層方式加載于側(cè)窗玻璃上，經(jīng)VA One 仿真計(jì)算，得到駕駛員頭部聲壓級頻譜曲線，如上圖13 所示。
由圖中曲線可以看出，在中頻段（200~1000Hz）范圍內(nèi)曲線波動較大，這是由于在該頻段內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)既有結(jié)構(gòu)整體模態(tài)控制，又有局部模態(tài)控制，這種系統(tǒng)內(nèi)既有由整體模態(tài)控制的強(qiáng)耦合子系統(tǒng)，又有由局部模態(tài)控制的弱耦合子系統(tǒng)，采用統(tǒng)計(jì)能量方法分析存在精度不足、誤差較大的問題，需要采用混合FE-SEA方法來解決該問題。因此本文僅限于采用此方法重點(diǎn)關(guān)注高頻（1000Hz 以上）氣動噪聲結(jié)果。
在高頻段范圍內(nèi)，隨著頻率的升高，對流壓力對內(nèi)部聲腔的影響逐漸降低，聲學(xué)壓力對內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)逐步超過對流壓力，因此在1000Hz以上高頻段主要是聲學(xué)壓力占據(jù)主導(dǎo)作用。經(jīng)對比3個(gè)方案聲壓級曲線可以看出，在高頻（1000Hz以上）范圍內(nèi)，優(yōu)化1 結(jié)果不夠明顯，優(yōu)化2 結(jié)果的駕駛員頭部聲壓級明顯改善，相對于base狀態(tài)總聲壓級最大改善量可達(dá)到1dB 以上，說明后視鏡夾角以及后視鏡與車身距離的優(yōu)化對車內(nèi)聲壓級改善有明顯作用。
4 結(jié)論
全文基于APE 噪聲源項(xiàng)與CFD 求解器單向耦合的方法，運(yùn)用STAR-CCM+和VA one 軟件，對某SUV 車型后視鏡風(fēng)噪開展了相關(guān)的仿真分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：
（1） 通過增大后視鏡與側(cè)窗距離，同時(shí)選擇合適夾角（后視鏡與側(cè)窗X 向夾角）能有效降低由后視鏡引起的氣動噪聲，車內(nèi)聲壓級仿真結(jié)果表明，優(yōu)化方案2 的優(yōu)化量能達(dá)到1dB 以上，即后視鏡的最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐應(yīng)呈喇叭口狀；
（2）基于能量統(tǒng)計(jì)方法（SEA），VA one軟件能夠較好的仿真計(jì)算風(fēng)噪引起的脈動壓力對車內(nèi)噪聲的影響，分析精度符合工程需求；
（3）使用該方法展示的結(jié)果優(yōu)化量雖然很明顯，但缺少對標(biāo)數(shù)據(jù)，需后續(xù)經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并討論分析仿真與試驗(yàn)的相關(guān)性，才能更具說服力。
作者：莊 嚴(yán) 張延杰 林清龍 楊 超
東南（福建）汽車工業(yè)有限公司 中國汽車工程研究院股份有限公司
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