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使用 DES 和 LES 的不可壓縮和可壓縮求解器研究通用側(cè)視鏡的內(nèi)部噪聲

2021-11-26 19:38:55·  來源：AutoAero  
　
摘要外部湍流是汽車座艙內(nèi)部噪聲的重要來源。湍流沖擊艙室的窗戶，激發(fā)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。同時(shí)，湍流產(chǎn)生的外部噪聲也會引起車窗振動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。安裝
摘要
外部湍流是汽車座艙內(nèi)部噪聲的重要來源。湍流沖擊艙室的窗戶，激發(fā)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。同時(shí)，湍流產(chǎn)生的外部噪聲也會引起車窗振動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。安裝在車窗上游的側(cè)視鏡是誘發(fā)湍流的主要車身部件之一。在本文中，我們研究了由普通側(cè)視鏡引起的車內(nèi)噪聲。車內(nèi)噪聲在帶有矩形玻璃窗的長方體腔中傳播。采用先進(jìn)的CFD方法計(jì)算外部流動(dòng)和外部噪聲：可壓縮大渦模擬、可壓縮分離渦模擬（DES）、不可壓縮DES和與聲波模型耦合的不可壓縮DES。最后一種方法是分別模擬水動(dòng)力和聲壓。在計(jì)算內(nèi)部噪聲時(shí)，將氣流和噪聲的壓力波動(dòng)施加在窗口上，而在流動(dòng)模擬中忽略了窗口振動(dòng)反饋對氣流的反向影響。討論了局部流動(dòng)特性。高能表面壓力出現(xiàn)在鏡側(cè)邊緣的剪切層撞擊窗口的區(qū)域，量化了水動(dòng)力和聲壓對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，聲學(xué)成分在車內(nèi)噪聲產(chǎn)生中更有效，并且在高頻時(shí)起主導(dǎo)作用。
1.介紹
車內(nèi)噪聲是汽車行業(yè)關(guān)注的問題，目的是為長期暴露在噪聲中的駕駛員和乘客創(chuàng)造舒適的環(huán)境。然而，由氣流引起的車內(nèi)噪聲并未得到有效控制。
側(cè)視鏡是汽車駕駛室內(nèi)噪聲的重要來源。反射鏡產(chǎn)生的高能渦流可產(chǎn)生顯著的外部噪聲和強(qiáng)大的流體動(dòng)力沖擊。在道路試驗(yàn)中，對一輛車的外部氣流和噪聲引起的內(nèi)部噪聲進(jìn)行了測量。同時(shí)還使用了經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）模型分析外部聲壓和水動(dòng)力壓力對內(nèi)部噪聲的影響。研究發(fā)現(xiàn)，外部聲壓非常重要，盡管在100 Hz至5000 Hz的頻率范圍內(nèi)，外部聲壓比水動(dòng)力壓力低20dB至40dB。在Vanherpe等人的研究中，進(jìn)行了可壓縮流模擬，以分析由于反射鏡引起的尾跡撞擊而產(chǎn)生的外表面壓力波動(dòng)的頻譜。在光譜中可以清楚地分辨出與水動(dòng)力和聲壓相關(guān)的兩個(gè)區(qū)域。對安裝在通用車輛模型上的生產(chǎn)鏡的內(nèi)部噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。在他們的研究中，根據(jù)頻譜將外表面壓力分解為水動(dòng)力壓力和聲壓，聲壓是車內(nèi)噪音產(chǎn)生的主要原因。在模擬和實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步探索了裝配在測試車上的測試鏡的頻譜。在大部分車窗的高頻處，外部聲壓是主要的內(nèi)部噪聲源，但靠近后視鏡的區(qū)域除外，該區(qū)域的水動(dòng)力壓力更有效。在Schell和Cotoni最近的一項(xiàng)研究中，預(yù)測了通用車中由氣流引起的內(nèi)部噪聲。除了后視鏡外，還提出了一種通用側(cè)視（GSV）后視鏡。他們在模擬和實(shí)驗(yàn)中研究了表面壓力和外部遠(yuǎn)場噪聲。由于尾流的撞擊而產(chǎn)生的表面壓力波動(dòng)是主要的外部噪聲源。從鏡側(cè)邊緣撞擊板，然后形成強(qiáng)大的脈動(dòng)壓力區(qū)。此外，使用不可壓縮大渦模擬（I-LES）和不可壓縮分離渦模擬（I-DES）對通用側(cè)視鏡進(jìn)行了研究。使用Ffowcs Williams和Hawkings（FW-H）聲學(xué)類比預(yù)測遠(yuǎn)場外部噪聲。他們關(guān)于表面壓力的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
本研究旨在研究由GSV反射鏡產(chǎn)生的渦流致內(nèi)部噪聲，將探討噪聲產(chǎn)生過程的基本機(jī)理。另一個(gè)目的是研究不同的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA）方法預(yù)測車內(nèi)噪聲的性能。CFD方法包括可壓縮大渦模擬（C-LES）、可壓縮DES（C-DES）和不可壓縮DES（I-DES）。CAA方法是I-DES和聲波模型（AWM）的耦合方法。對于I-DES，將討論網(wǎng)格拓?fù)涞挠绊?。此外，還將討論噪聲源、外部水動(dòng)力和聲壓的貢獻(xiàn)。將闡明在車內(nèi)噪聲預(yù)測中考慮外部壓縮性的重要性。
2.結(jié)構(gòu)
配置如圖1所示，GSV后視鏡組裝在一塊板上，反射鏡和平板的尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置進(jìn)行設(shè)計(jì)，而平板的前緣角被磨圓，以符合反射鏡誘導(dǎo)的尾跡產(chǎn)生的球形聲波的輻射。在板下放置一個(gè)空腔，由厚度為0.004m的玻璃制成的窗戶設(shè)置在板和空腔之間的接口上。流動(dòng)的表面壓力波動(dòng)刺激窗口振動(dòng)，然后，振動(dòng)會在腔體中產(chǎn)生內(nèi)部噪音。外部和內(nèi)部空氣均假設(shè)為理想氣體，分子量為28.97 kg/kmol，外部流動(dòng)的自由流速度矢量為（39.89 0 0）m/s。自由流壓力為101325kPa。自由流溫度為300K。


圖1 GSV反射鏡、玻璃窗和腔體組成的配置圖，長度刻度單位為m
3.數(shù)值方法
3.1 氣動(dòng)聲學(xué)方法

流動(dòng)的連續(xù)性、動(dòng)量和能量的控制方程在流體力學(xué)領(lǐng)域是眾所周知的。因此，為了簡潔起見，不介紹這些內(nèi)容。由于本研究中的模擬是使用STAR-CCM軟件進(jìn)行的，請參考本軟件用戶指南中方程的詳細(xì)信息。
采用C-LES、C-DES和I-DES等方法對流動(dòng)進(jìn)行了模擬。由于I-DES忽略了由于可壓縮性引起的密度變化，因此在計(jì)算中無法解析聲波。為了模擬這種方法的噪聲，使用了AWM。
3.1.1 CFD方法的數(shù)值離散化

采用有限體積法離散連續(xù)、動(dòng)量和能量的輸運(yùn)方程。分離流求解器用于求解離散化方程。分離流求解器采用半隱式壓力連接方程法（SIMPLE）算法。對于可壓縮流求解器，在更新壓力和溫度后，通過求解理想氣體的狀態(tài)方程獲得密度。
采用混合二階迎風(fēng)有界中心格式離散單元表面的對流通量，二階格式對內(nèi)部和邊界單元表面的擴(kuò)散通量進(jìn)行離散。梯度計(jì)算采用二階混合高斯-LSQ方法，包括重建單元表面的場值、擴(kuò)散通量的二次梯度、壓力梯度以及湍流模型的應(yīng)變和旋轉(zhuǎn)速率。
采用二階隱式方法離散時(shí)間導(dǎo)數(shù)，在時(shí)間推進(jìn)過程中，采用了一種在預(yù)處理偽時(shí)間步上進(jìn)行內(nèi)迭代的雙時(shí)間步方法。
3.1.2.?湍流模擬

在DES方法中，使用改進(jìn)的延遲分離渦模擬（IDDES）模擬湍流。IDDES模型的系數(shù)采用軟件中的默認(rèn)值。當(dāng)模擬中涉及壓縮性時(shí)，k-ω模型啟用壓縮性校正。湍流耗散通過增加作為湍流馬赫數(shù)函數(shù)的膨脹誘導(dǎo)耗散進(jìn)行校正。
LES的湍流建模使用Smagorinsky模型。確定子網(wǎng)格比例（SGS）粘度的網(wǎng)格過濾器寬度的模型系數(shù)設(shè)置為Cs=0.1，SGS湍流動(dòng)能的模型系數(shù)設(shè)置為Ct=3.5，K=0.41近壁處理采用Van Driest阻尼函數(shù)。
3.1.3.?I-DES的聲波模型

I-DES作為不可壓縮流動(dòng)求解器，只能求解流體動(dòng)壓，而不包括聲壓。然而，聲壓是造成車內(nèi)噪聲的一個(gè)重要因素。因此，需要一個(gè)聲學(xué)解算器與I-DES耦合，以預(yù)測車內(nèi)噪聲。
基于聲學(xué)微擾方程（APE）開發(fā)的AWM在STAR-CCM中實(shí)現(xiàn)。APE是通過對Navier-Stokes方程的線性化推導(dǎo)出來的。它解決了聲波產(chǎn)生的壓力和速度擾動(dòng)。方程組左側(cè)描述了擾動(dòng)的聲傳播。聲源位于右側(cè)。由于目前應(yīng)用的馬赫數(shù)較低，平均流的對流在傳播過程中被忽略。聲源表示為壓力波動(dòng)。APE簡化為AWM，如下所示：


式中，P′表示水動(dòng)力壓力波動(dòng)，c表示聲速，t表示時(shí)間。在耦合方法中，從I-DES獲得的壓力波動(dòng)被輸入AWM。
3.2.?結(jié)構(gòu)振動(dòng)和車內(nèi)噪聲的測量方法

玻璃窗和腔體構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)的頻域控制方程如下：



其中，下標(biāo)S和A表示與窗結(jié)構(gòu)和空氣相關(guān)的數(shù)量。外表面壓力波動(dòng)（包括流體動(dòng)力和聲學(xué)部分）來自CFD方法或耦合CFD/AWM方法。它作為強(qiáng)制邊界條件施加在玻璃窗上。結(jié)構(gòu)/聲學(xué)耦合矩陣用CSA表示。結(jié)構(gòu)聲學(xué)方程通過自由場技術(shù)產(chǎn)生的Actran中實(shí)施的有限元法進(jìn)行求解。
4.數(shù)字設(shè)置
4.1.?邊界條件和解算器參數(shù)

計(jì)算域及其尺寸如圖2所示。為了減小聲波在遠(yuǎn)場中傳播的入射角，在遠(yuǎn)場中構(gòu)造了圓形邊界。域的上游部分具有球形，以符合板的形狀。反射鏡和出口之間的距離足夠大，以減少出口處渦流發(fā)出的人為噪音。在反射鏡和板的表面上指定了防滑壁邊界條件。在域邊界的剩余部分，應(yīng)用自由流邊界條件。
隔離流解算器中速度和壓力的欠松弛系數(shù)設(shè)置為0.6和0.3。湍流傳輸方程的欠松弛因子指定為0.6。每個(gè)時(shí)間步的最大內(nèi)部迭代次數(shù)為20。根據(jù)對配置進(jìn)行的初步數(shù)值試驗(yàn)，該數(shù)值足以使解收斂。窗被建模為二維曲面。窗口和空腔之間的邊界設(shè)置為零位移和旋轉(zhuǎn)。在腔體壁上施加鏡面反射壁條件而不吸收反射聲波。


圖2 計(jì)算域的示意圖，標(biāo)有長度刻度,單位是米。
4.2.?計(jì)算網(wǎng)格

該模型生成的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格用于LES、C-DES和I-DES的流動(dòng)模擬。此外，采用多面體網(wǎng)格方法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并將其用于I-DES和AWM的耦合流-氣動(dòng)聲學(xué)模擬。盡管網(wǎng)格生成方法不同，但兩個(gè)網(wǎng)格的分辨率由相同的參數(shù)控制。表面單元的大小介于0.001m和0.01m。
鏡像邊緣附近的體積單元大小控制在0.001m以下。并且對流動(dòng)尾跡所在區(qū)域的體積單元進(jìn)行了細(xì)化。該區(qū)域從后視鏡后表面開始，在1處結(jié)束。該區(qū)域在垂直于流向的方向上的寬度以10°的擴(kuò)展角延伸。區(qū)域中的最大單元格大小設(shè)置為0.005m。網(wǎng)格的全局最大大小為0.05m。
基于我們之前的研究，網(wǎng)格增長率的范圍設(shè)為1.05到1.1。上述網(wǎng)格分辨率已在使用較粗分辨率網(wǎng)格的初步模擬中進(jìn)行了檢查。y=0.1m的剖切面中的網(wǎng)格，如圖3所示。網(wǎng)格使用7個(gè)級別進(jìn)行細(xì)化。與第7級細(xì)化級別相對應(yīng)的最小單元位于鏡像邊緣附近。流動(dòng)尾跡存在的區(qū)域包含在第5細(xì)化級別細(xì)化的單元。板上方的大多數(shù)單元在第四級細(xì)化級別以上細(xì)化。
圖4顯示了z=0m剖切面中的網(wǎng)格，該剖切面是鏡像幾何體的對稱平面。細(xì)化區(qū)域沿y軸方向以10°的擴(kuò)展角擴(kuò)展。這種細(xì)化使得剪切層和尾流中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有良好的網(wǎng)格分辨率，在圖5中y=0的剖切面中查看多面體網(wǎng)格，該網(wǎng)格中細(xì)化區(qū)域的分布與網(wǎng)格一致。然而，在多面體網(wǎng)格中觀察到單元大小的平滑變化。這與網(wǎng)格不同，網(wǎng)格中的單元在每個(gè)細(xì)化級別的區(qū)域中具有統(tǒng)一的大小。切割后的網(wǎng)格包含2100萬個(gè)單元、6200萬個(gè)面和2100萬個(gè)頂點(diǎn)。多面體網(wǎng)格有800萬個(gè)單元、5300萬個(gè)面和4200萬個(gè)頂點(diǎn)。在模擬過程中，窗口被視為結(jié)構(gòu)聲學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)曲面，生成了一個(gè)二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。這些單元格的大小為0.0125m?？涨簧闪硪粋€(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,單元格大小為0.025m,這些網(wǎng)格如圖6所示。


圖3 y=0.1m的剖切面中的網(wǎng)格。除了邊界層中的棱柱元素外，網(wǎng)格還細(xì)化為7個(gè)級別。紅色圓圈中標(biāo)記的數(shù)字表示局部優(yōu)化級別,子圖（a）中的紅色矩形標(biāo)記是子圖（b）中放大的區(qū)域。


圖4 z=0m剖切面中的網(wǎng)格。紅色圓圈中的數(shù)字表示局部優(yōu)化級別。請注意，細(xì)化級別7的單元格由于尺寸較小而無法清晰顯示。
5.結(jié)果和討論

CFD模擬在瑞典國家計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施提供的集群上進(jìn)行并行計(jì)算。


圖5 （a）y=0的剖切面中的多面體網(wǎng)格。1m和（b）z=0m,為耦合I-DES/APE生成網(wǎng)格。


圖6 為窗口和空腔生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,窗口邊界用紅線標(biāo)記。


圖7??不同CFD方法消耗的每個(gè)時(shí)間步長的運(yùn)行時(shí)間。


圖8??使用不同的CFD方法計(jì)算近壁細(xì)胞的y＋。

通過對48個(gè)核的并行計(jì)算，評價(jià)了不同CFD方法的性能。圖7顯示了兩種方法之間每個(gè)時(shí)間步所用時(shí)間的比較。C-LES占用的時(shí)間最短。對于相同的網(wǎng)格，LES比DES消耗更少的計(jì)算資源，因?yàn)樗蠼獾姆匠谈?。I-DES的運(yùn)行時(shí)間略小于C-DES的運(yùn)行時(shí)間。這表明，模擬中涉及的壓縮性對計(jì)算速度的影響有限。與使用網(wǎng)格的I-DES相比，使用多面體網(wǎng)格的I-DES需要更多的計(jì)算資源。原因是前一個(gè)網(wǎng)格包含的頂點(diǎn)遠(yuǎn)多于后一個(gè)網(wǎng)格，盡管這兩個(gè)網(wǎng)格是使用相同的網(wǎng)格密度設(shè)置生成的。當(dāng)AWM用于重建外部聲波時(shí)，經(jīng)過的時(shí)間與不帶AWM的I-DES相比增加1.2倍，原因是AWM的聲學(xué)模擬需要額外的計(jì)算資源。
物體的瞬時(shí)輪廓圖8顯示了近壁網(wǎng)格的y＋。所有不同網(wǎng)格的CFD方法均達(dá)到除沿板材邊緣的狹窄區(qū)域外，大部分表面的y＋小于1。由于板邊緣的邊界條件從自由流邊界條件變?yōu)楸诿孢吔鐥l件，因此高速度梯度會導(dǎo)致較大的值。小?y＋表明邊界層在模擬中得到了很好的解決。C-DES和I-DES的結(jié)果是一致的，但在實(shí)驗(yàn)中觀察到更寬的尾流區(qū)域是C-LES。此外，與DES方法相比，使用C-LES解析的反射鏡上游和剪切層附近的輪廓波動(dòng)更大。
為了識別反射鏡誘導(dǎo)的旋渦，圖9顯示了用C-DES求解的Q準(zhǔn)則的瞬時(shí)等值面為。在尾流中觀察漩渦，可以看到馬蹄形渦流在鏡子的上游形成。由于從其他CFD方法和網(wǎng)格中獲得的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與C-DES相似，因此未對其進(jìn)行說明。此后，在模擬持續(xù)時(shí)間為0.2s的情況下，計(jì)算流量的統(tǒng)計(jì)特征。在放置在鏡面上的監(jiān)視器上計(jì)算系數(shù)。監(jiān)視器的規(guī)格遵循H?ld等人和Siegert等人的實(shí)驗(yàn)。為了簡潔起見，本文選擇了四個(gè)監(jiān)視器并對其進(jìn)行了討論，盡管我們已經(jīng)計(jì)算了所有監(jiān)視器的系數(shù)。所選監(jiān)控器的位置如圖10所示。所選監(jiān)視器稱為M5、M15、M25和M34。前三個(gè)監(jiān)視器位于后視鏡正面，最后一個(gè)監(jiān)視器位于后視鏡背面。表1給出了監(jiān)視器位置的坐標(biāo)。


圖9 使用C-DES模擬Q在處的等值面快照。


圖10 后視鏡上監(jiān)視器的圖示。監(jiān)視器按照實(shí)驗(yàn)中的順序編號[8,9]。監(jiān)視器M34位于后視鏡的背面。
表1 所選監(jiān)控器的坐標(biāo)


表2 選定監(jiān)測器的時(shí)間平均壓力系數(shù)Cp



表2中比較了不同CFD方法給出的以及文獻(xiàn)中報(bào)告的〈Cp〉值。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，DES方法和I-LES在鏡邊附近M5處給出了更大的系數(shù)，而C-LES提供了更小的系數(shù)。如圖8所示，較低的值與LES比DES在壁面附近呈現(xiàn)更多波動(dòng)的現(xiàn)象有關(guān)。在駐點(diǎn)M15處的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。在M25處所有數(shù)值方法都低估了系數(shù)。該監(jiān)視器位置接近最小剪應(yīng)力張量。目前使用切割體網(wǎng)格或多面體網(wǎng)格的I-DES方法高估了M34處的系數(shù)。這種效應(yīng)與可壓縮性（與C-DES相比）和邊界層中解決的波動(dòng)（與C-LES相比）有關(guān)。
壓力波動(dòng)的均方根（rms）值，顯示在圖11中。DES方法得到的輪廓相似。這表明壓縮性和單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響并不明顯。然而，用C-LES方法求解的尾跡區(qū)域在翼展方向上比DES方法更寬。這一行為與表1所示的現(xiàn)象一致。因此，C-LES解決了邊界層中更多的壓力波動(dòng)。由于計(jì)算均方根值時(shí)考慮的模擬持續(xù)時(shí)間有限（0.2秒），等高線是不對稱的。
內(nèi)部噪音的壓力由位于腔體角落和中心的麥克風(fēng)收集。麥克風(fēng)位置如圖12所示。腔中有9個(gè)麥克風(fēng)。麥克風(fēng)1設(shè)置在中心。其余話筒分布在角落。為了簡潔起見，在隨后的分析中選擇1和4。

圖11 使用不同的CfD方法計(jì)算壓力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化均方根值。

圖12 話筒位于腔體內(nèi)部，話筒編號由圓圈。

圖13 使用不同的CfD方法計(jì)算（a）話筒1和（b）話筒4處的內(nèi)部噪音頻譜。

圖14 話筒1（a）和話筒4（b）處內(nèi)部噪聲的流體動(dòng)力和聲學(xué)部分的頻譜。
圖13顯示了根據(jù)不同CFD方法和網(wǎng)格的表面壓力波動(dòng)預(yù)測的聲壓級（SPL）?？紤]到需要6個(gè)元素才能很好地解析波，當(dāng)前腔體網(wǎng)格可解析的最大頻率為2267 Hz。這表明高于最大頻率的結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，圖中頻率范圍的上限設(shè)置為3000 Hz。所有CFD方法在低于1000Hz的低頻下給出了可比的量級，而在該頻率以上，可壓縮流求解器（C-LES和C-DES）給出的量級比I-DES更大。在I-DES中，未求解聲壓，因此由聲壓引起的內(nèi)部噪聲不包括在預(yù)測中。此外，通過I-DES獲得的由外部水動(dòng)力壓力引起的內(nèi)部噪聲在切割體網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格之間是一致的。原因是，一旦網(wǎng)格分辨率細(xì)化到足以解析流動(dòng)結(jié)構(gòu)，單元拓?fù)湓谒畡?dòng)力壓力模擬中的作用有限。此外，用C-LES預(yù)測的振級在高頻時(shí)大于C-DES，如圖13所示。根據(jù)圖8和圖11，C-LES解決了邊界層和沖擊渦中更多的小尺度波動(dòng)。波動(dòng)形成高頻噪聲源。
圖14中繪制了基于多面體網(wǎng)格耦合I-DES和AWM解計(jì)算的內(nèi)部噪聲譜。將車內(nèi)噪聲分解為兩部分：一部分由外部水動(dòng)力壓力波動(dòng)產(chǎn)生，另一部分由外部聲壓波動(dòng)產(chǎn)生。水動(dòng)力部分采用僅包括外部水動(dòng)力壓力的I-DES解進(jìn)行預(yù)測?；贏WM解對聲學(xué)部分進(jìn)行預(yù)測。在低頻時(shí)，水動(dòng)力部分的振幅大于聲學(xué)部分的振幅。對于1000Hz以上的頻率，聲學(xué)部分超過水動(dòng)力部分。這一觀察結(jié)果表明，外部聲壓是產(chǎn)生高頻內(nèi)部噪聲的主要因素?？蓧嚎s流求解器（C-LES和C-DES）用于獲得可壓縮壓力，包括流體動(dòng)壓和聲壓，而不可壓縮流求解器（I-DES）僅給出流體動(dòng)壓。因此，可壓縮流解算器可以預(yù)測總的內(nèi)部噪聲。不可壓縮流解算器提供流體動(dòng)力學(xué)內(nèi)部噪聲。
如圖13所示，總的車內(nèi)噪聲在1000Hz以上沒有下降趨勢，通過應(yīng)用AWM基于不可壓縮流解決方案重建聲壓，發(fā)現(xiàn)這種不下降趨勢是由于內(nèi)部聲學(xué)噪聲造成的，這種噪聲占主導(dǎo)地位，在高頻時(shí)不會下降，如圖14所示。雖然使用不同的CFD和CAA方法來模擬氣流和噪聲，但它們預(yù)測的總內(nèi)部噪聲趨勢相似。這一現(xiàn)象與Hartmann等人報(bào)告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，Hartmann等人觀察到了下降趨勢。在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究了裝配在帶座艙的通用車輛模型上的真實(shí)鏡子。通過使用揚(yáng)聲器產(chǎn)生外部聲激勵(lì)，他們還證明了聲壓在內(nèi)部噪聲產(chǎn)生中起著重要作用。此外，發(fā)現(xiàn)放大后的后視鏡會產(chǎn)生更大的內(nèi)部噪音，即使該后視鏡產(chǎn)生的外部壓力與高于250 Hz的基準(zhǔn)后視鏡幾乎相同?；谶@一效應(yīng)，他們得出結(jié)論，聲壓是導(dǎo)致車內(nèi)噪聲發(fā)生顯著變化的主要原因。
放大鏡和基準(zhǔn)鏡的比較揭示了另一個(gè)事實(shí)，即外部聲壓大小敏感地取決于鏡的幾何形狀和尺寸。因此，可以理解的是，與Hartmann等人的真實(shí)鏡子相比，本研究中的普通鏡子在1000 Hz以上會產(chǎn)生不同的內(nèi)部噪聲譜。盡管如此，有趣的未來工作將是基于相同的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法在普通反射鏡和哈特曼真實(shí)反射鏡之間進(jìn)行交叉比較，并探索反射鏡幾何形狀對內(nèi)部噪聲產(chǎn)生的影響。如圖13所示，流體動(dòng)力車內(nèi)噪聲與100Hz至1000Hz之間的車內(nèi)總噪聲相當(dāng)。根據(jù)圖14中觀察到的結(jié)果，可以解釋這種現(xiàn)象。低于400 Hz時(shí)，水動(dòng)力車內(nèi)噪聲比車內(nèi)噪聲大約20-40 dB。因此，與總的內(nèi)部噪聲（水動(dòng)力噪聲和聲學(xué)噪聲之和）相比，內(nèi)部聲學(xué)噪聲可以忽略不計(jì)。在400至1000 Hz的頻率范圍內(nèi)，圖13顯示流體動(dòng)力噪聲的量級略低于總噪聲量級。由于SPL定義中使用了對數(shù)刻度，因此添加與400至1000 Hz之間的流體動(dòng)力噪聲具有類似量級的聲噪聲（見圖14）不會導(dǎo)致總噪聲的顯著量級增加。
6. 結(jié)論
本文用數(shù)值方法研究了長方體腔中的內(nèi)部噪聲。車內(nèi)噪音是由車窗振動(dòng)產(chǎn)生的，車窗振動(dòng)由車外氣流和通用側(cè)視鏡的氣流誘導(dǎo)噪音激發(fā)。采用先進(jìn)的CFD和CAA方法（如C-LES、C-DES、I-DES和I-DES）結(jié)合AWM對外部流動(dòng)和噪聲進(jìn)行了模擬。耦合方法分別模擬外部水動(dòng)力和聲壓。與DES方法相比，C-LES方法解決了更多的邊界層壓力波動(dòng)。結(jié)果是，在高頻下，用C-LES預(yù)測的車內(nèi)噪聲大于C-DES。結(jié)果表明，用C-LES方法得到的尾跡區(qū)的展向?qū)挾缺菵ES方法得到的更寬。通過比較修剪網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格的I-DES結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格分辨率得到充分細(xì)化的情況下，單元拓?fù)鋵λ畡?dòng)力壓力解的影響有限。在低頻范圍內(nèi)，外部水動(dòng)力壓力是車內(nèi)噪聲的主要組成部分，而在1000Hz以上，外部聲壓起主導(dǎo)作用。因此，在CFD模擬中應(yīng)考慮壓縮性，以便進(jìn)一步預(yù)測車內(nèi)噪聲。但是，如果聲學(xué)解算器與其耦合以恢復(fù)聲波模擬，則不可壓縮解算器也可以有效。
文獻(xiàn)來源：Yao, H., Davidson, L., and Chroneer, Z., “Investigation of Interior Noise from Generic Side-View Mirror Using Incompressible and Compressible Solvers of DES and LES,” SAE Technical Paper 2018-01-0735, 2018, doi:10.4271/2018-01-0735.
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