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后緣鋸齒對天窗抖振降噪的數(shù)值研究

2021-12-10 19:56:15·  來源：AutoAero  
　
摘要本文對天窗降噪進(jìn)行研究。抑制噪聲的策略之一是將撞擊天窗后緣的強(qiáng)渦流分解為較小的渦流。這篇文章研究了鋸齒天窗尾緣與正弦輪廓波長對抖振降噪的效果。采用
摘要
本文對天窗降噪進(jìn)行研究。抑制噪聲的策略之一是將撞擊天窗后緣的強(qiáng)渦流分解為較小的渦流。這篇文章研究了鋸齒天窗尾緣與正弦輪廓波長對抖振降噪的效果。采用一系列波長和振幅的正弦曲線組合以研究尾緣鋸齒對降噪的影響 ，本研究采用通用汽車模型，以直后緣為基線。結(jié)果表明，后緣鋸齒對車內(nèi)聲壓級有顯著影響，對抖振頻率的影響可使聲壓級降低10~15 dB。此外，瞬態(tài)流場可視化和渦量等值線證實(shí)了鋸齒尾緣將大脫落渦分解為小渦流。因此，艙內(nèi)的聲壓級得以降低。此外，本文還研究了尾緣鋸齒在不同流速下的有效性。結(jié)果表明，后緣鋸齒策略是降低汽車天窗抖振噪聲的有效方法。

引言

天窗噪聲是一種非常重要的空氣動(dòng)力噪聲源。天窗上方的強(qiáng)剪切層、前緣產(chǎn)生的渦流撞擊天窗后緣是與噪聲產(chǎn)生有關(guān)的主要原因。抖振噪聲是天窗噪聲中最常見的噪音問題。它通常發(fā)生在天窗上方剪切層的瞬態(tài)特性能夠激發(fā)車廂的亥姆霍茲模態(tài)，導(dǎo)致剪切層的自持續(xù)振蕩時(shí)。經(jīng)過多年的數(shù)值、實(shí)驗(yàn)和理論研究，抖振現(xiàn)象具有低頻、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。然而，在獲得車輛的物理模型之前，很難準(zhǔn)確預(yù)測特定車輛的抖振噪聲有多嚴(yán)重。為了避免進(jìn)入的氣流直接沖擊后緣并減弱抖振噪聲，許多汽車制造商通常在天窗前緣上游采用一種被稱為偏轉(zhuǎn)板的被動(dòng)控制裝置作為最常用的策略。它有效地降低了低頻噪聲，但在從導(dǎo)流板頂部邊緣脫落的分離剪切層中產(chǎn)生了高壓波動(dòng)。當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，這樣一個(gè)額外的偏轉(zhuǎn)板會(huì)造成嚴(yán)重的寬帶噪聲問題，當(dāng)車輛傾斜時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致更高的阻力。
從以往的文獻(xiàn)中可以看出，大部分的被動(dòng)控制策略都是在天窗的前端采用的。而抖振噪聲主要產(chǎn)生在天窗后緣附近區(qū)域。本文設(shè)計(jì)了一種鋸齒形天窗后緣結(jié)構(gòu)，以克服在天窗前緣附近設(shè)置偏轉(zhuǎn)板以減少抖振噪聲的缺點(diǎn)。事實(shí)上，邊緣鋸齒在降噪中的作用已經(jīng)被許多研究者研究過了。Narayanan等人使用鋸齒型翼型前緣來減少翼型前緣與撞擊湍流之間的相互作用。他們發(fā)現(xiàn)，前緣振幅對提高在平板和翼型降噪水平有很大影響。Hersh等還觀察到，前緣的鋸齒形成渦旋，減少后緣附近周期性波動(dòng)力產(chǎn)生的噪聲，使速度波動(dòng)由周期性變?yōu)殡S機(jī)。這些研究表明，車頂邊緣鋸齒可以作為一種有效的減少車頂抖振和寬帶噪聲的方法。
隨著高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD技術(shù)已成為預(yù)測汽車模型的氣動(dòng)和聲學(xué)性能的一種基本有效的方法。精確估計(jì)抖振和寬帶噪聲需要精確預(yù)測復(fù)雜的瞬態(tài)行為(例如，在天窗上方的剪切層中渦旋的形成、脫落和破裂)。在本研究中,當(dāng)氣流沖擊天窗的下游邊緣時(shí),研究了后緣的鋸齒形正弦曲線,其波長(λ)和振幅(h)有三種組合,用于降噪。并進(jìn)行分離渦模擬(DES)，為全面分析提供詳細(xì)的流場。

數(shù)值方法

1.汽車計(jì)算模型



圖 1.汽車計(jì)算模型示意圖

由于實(shí)際車輛設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，本計(jì)算研究采用如圖1所示的簡單車輛模型。該計(jì)算車輛模型的車身長度(L)為4910 mm，高度(H)為1500 mm，頂部寬度(W)為1560 mm，底部寬度為2000mm。目前仿真中沒有側(cè)鏡，模型與地面之間也沒有間隙。圖2顯示了在形狀設(shè)計(jì)中使用的正弦鋸齒的示意圖，其中h表示波幅，λ是波長。在本研究中，波幅值(h)保持不變，并構(gòu)造了h=0.5λ、h=λ和h=2λ三種組合來計(jì)算波長變化的影響。


圖2. 在天窗后緣上使用的正弦鋸齒示意圖

2.計(jì)算設(shè)置


本研究使用了一個(gè)結(jié)構(gòu)差異較小但計(jì)算設(shè)置相同的汽車模型來驗(yàn)證Huco[8]的實(shí)驗(yàn)。使用商業(yè)CFD代碼Star-CCM+生成網(wǎng)格，模擬車輛模型上的流動(dòng)。這里的氣動(dòng)聲學(xué)分析是通過非定常計(jì)算進(jìn)行的，因此需要優(yōu)化網(wǎng)格和設(shè)置，以捕獲僅在本研究中相關(guān)的噪聲源和頻率。由于車輛幾何結(jié)構(gòu)在展向上是對稱的，為了減少網(wǎng)格尺寸，避免長時(shí)間計(jì)算，在計(jì)算模型中選擇了半車輛模型。一個(gè)由大約68.3x10^6個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成的計(jì)算網(wǎng)格被生成以獲得所需的分辨率。在開放腔周圍區(qū)域采用帶有2mmx2mmx2mm的網(wǎng)格，以確保捕獲頻率高達(dá)3kHz的湍流噪聲源和傳播聲學(xué)高達(dá)8.5kHz的精度。從車輛表面以1.3的生長比率生成10個(gè)棱柱層，以捕捉邊界層的流動(dòng)特性。所有計(jì)算單元在車輛表面的正常分辨率低于y+=1。圖3展示了中間對稱平面上的計(jì)算網(wǎng)格。


圖3. 中間對稱面上的網(wǎng)格示意圖

入口邊界延伸至車輛前表面上游4 L。進(jìn)入氣流的速度有兩種:20 m / s和30 m / s,分別代表在城市和高速公路上行駛的車輛。下游壓力出口位于距車背面約8 L處。為避免反射效應(yīng)(累積誤差），在側(cè)面和頂面遠(yuǎn)場邊界上采用對稱邊界條件。
本模擬研究采用兩種方法。雖然雷諾平均Navier-Stokes (RANS)模擬已經(jīng)成功地應(yīng)用于預(yù)測車輛周圍的許多部分流動(dòng)，但其捕捉噪聲能力有限。因此，本研究采用SST k-ω DES，其結(jié)合了邊界層RANS模型和非定常分離區(qū)域大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)模型的特點(diǎn)，以獲得流場中更重要的特性。穩(wěn)定的RANS結(jié)果為DES計(jì)算提供了一個(gè)完整的初始流場。為了計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)特性采用Ffowcs Williams-Hawkings (FWH)模型獲得了指定位置的艙室噪聲聲壓級譜。

結(jié)果和討論

1.計(jì)算模型驗(yàn)證


在用于驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)測試中，在車輛頂部表面的三個(gè)探頭位置(探頭A，探頭B和探頭C)測量了流向速度剖面，如圖4所示。應(yīng)該指出的是，試驗(yàn)中使用的入口速度為60公里/小時(shí)，天窗為測量而關(guān)閉，車輛形狀與本次模擬中使用的車輛模型具有類似的配置。速度剖面計(jì)算是基于在當(dāng)前數(shù)值模擬中相同位置的時(shí)均DES數(shù)據(jù)。圖5顯示了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對比。x軸表示絕對流速度和y軸表示距離車輛頂部壁面。結(jié)果表明，邊界層和外核心區(qū)的流動(dòng)速度分布與各測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。這確保了該計(jì)算研究中的網(wǎng)格足夠捕捉詳細(xì)的流動(dòng)特征。


圖 4.速度剖面的測量點(diǎn)位置


a. A點(diǎn)速度剖面


b. B點(diǎn)速度剖面


c. C點(diǎn)速度剖面
圖 5. 監(jiān)測點(diǎn)位置流速對比

3.結(jié)果和分析

當(dāng)風(fēng)速為30m/s時(shí)


根據(jù)Kumar和Mendonca的研究，天窗抖振的峰值頻率主要取決于風(fēng)速和車輛內(nèi)部幾何形狀。為了捕捉抖振頻率，如圖6所示的監(jiān)測探頭放置在天窗前緣下方，對應(yīng)駕駛員右耳在客艙的位置，獲取聲學(xué)數(shù)據(jù)。圖7給出了在30m/s入射速度下，計(jì)算得到的不同車輛設(shè)計(jì)的聲譜，抖振噪聲的峰值頻率在60Hz左右，且觀察到尾緣鋸齒的設(shè)計(jì)至少衰減與基線情況相比，峰值頻率為10dB。如上所述，邊緣的鋸齒幾何形狀有利于將大渦流分解為小渦流，因此在這些改進(jìn)的設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)較小的峰值，而不是在基線模型中只存在一個(gè)峰值頻率。除抖振峰值頻率外，在頻率為25Hz時(shí)，h=2λ時(shí)的聲壓級降低約15dB。 在所有修正模型中，具有h=2λ邊緣鋸齒的設(shè)計(jì)具有最好的效果。雖然h=0.5λ的情況下的噪聲水平在抖振頻率具有相似的幅度，但在高頻情況下，它的噪聲水平高于其他兩種情況(f >1000赫茲)。


圖 6. 監(jiān)測探頭的位置


圖 7. 不同后緣在監(jiān)測探頭位置的聲壓級對比

為了找到可以用來降低噪聲水平的邊緣鋸齒背后的原因，需要仔細(xì)檢查詳細(xì)的流場。圖8顯示了Q準(zhǔn)則的三維流體結(jié)構(gòu)，其用識(shí)別旋渦核心的一個(gè)標(biāo)量著色，即流動(dòng)壓力（hydrodynamic pressure)。雖然在接近天窗前緣的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)基線情況和修改情況之間的微小差異，但在接近天窗后緣的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)顯著的偏差。從天窗脫落的大渦流沖擊后緣，然后分解成一系列小渦流。它們被后緣分成兩部分:1)上旋渦隨著主流在車外移動(dòng)，2)下旋渦核心留在車內(nèi)。在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，從上游前緣脫落的渦流被這些鋸齒狀的后緣分解成更小的渦流結(jié)構(gòu)。在h = 0.5λ和h = 2λ的情況下，上層渦明顯受到抑制，而在h = λ的車輛模型中，下層渦明顯受到抑制。在基線情況的艙室內(nèi)渦芯中觀察到較高的流動(dòng)壓力。


a. 基線


b. h = 0.5λ


c. h = λ


d. h = 2λ
圖 8. 壓力Q準(zhǔn)則等值面

由于噪聲本質(zhì)上是由壓力波動(dòng)產(chǎn)生的，因此研究壓力波動(dòng)與天窗噪聲產(chǎn)生的關(guān)系非常重要。壓力波動(dòng)(p ')可定義為 ：


其中p為流動(dòng)壓力，N為快照次數(shù)。

圖9顯示了天窗附近區(qū)域的壓力波動(dòng)。需要注意的是，該非定常脈動(dòng)壓力只包含流動(dòng)壓力，不包含聲學(xué)信息。在基線情況下，在天窗后緣附近和艙內(nèi)觀察到較大的壓力波動(dòng)。當(dāng)使用鋸齒形天窗后緣時(shí)，這種波動(dòng)得到了抑制，尤其是在車輛客艙內(nèi)。


a. 基線


b. h = 0.5λ


c. h = λ


d. h = 2λ
圖 9. 天窗附近區(qū)域的壓力波動(dòng)

當(dāng)風(fēng)速為20m/s時(shí)


為了研究尾緣鋸齒在低速下的影響，將進(jìn)氣道的自由流速度減小到20m/s。 圖10給出了圖6所示的同一監(jiān)測探頭在頻域的計(jì)算聲壓級。如前所述，抖振峰值頻率會(huì)隨著來流風(fēng)速的減小而逐漸減小，基線情況下20m/s自由流的峰值頻率在40Hz左右，即比自由流速度為30m/s時(shí)低20Hz。后緣鋸齒車輛模型的抖振聲壓級振幅也低于基線情況。裝備 h = λ和h = 2λ的鋸齒形狀的汽車模型可以降噪6分貝。雖然h = λ的情況下的噪聲水平在抖振頻率有10dB的降低，但在60Hz左右的頻率有比其他兩種配置更高的聲壓級。綜合考慮，h = λ的鋸齒形是三種構(gòu)型中最佳的選擇。此外，可以看到，隨著自由流速度的降低，基線與修正模型之間的聲壓級差異逐漸減小。


圖 10. 不同后緣在監(jiān)測探頭位置的聲壓級對比

圖11為自由流速度為20m/s時(shí)，壓力Q準(zhǔn)則的等值面。這些圖中所示的渦流結(jié)構(gòu)與圖8所示的模式相似，但由于來流速度的減小，渦流強(qiáng)度比前面所示的要弱。在基線情況下，直尾緣會(huì)產(chǎn)生更多的渦流，這將會(huì)導(dǎo)致更高水平的噪聲產(chǎn)生。


a. 基線


b. h = 0.5λ


c. h = λ


d. h = 2 λ
圖 11. 壓力Q準(zhǔn)則等值面

總結(jié)和結(jié)論


本文在一個(gè)簡單的汽車模型上，在天窗后緣采用三種鋸齒形狀來減少抖振噪聲的產(chǎn)生。為了獲得準(zhǔn)確的流場和聲場，進(jìn)行了全面的DES和氣動(dòng)聲學(xué)研究。
結(jié)果表明，所提出的邊緣鋸齒設(shè)計(jì)能有效地降低抖振噪聲。當(dāng)車頂邊緣鋸齒形為h = λ時(shí)，在30m/s的自由流速度下，抖振峰值頻率的最大聲壓級降低幅度可達(dá)10 dB以上，在20m/s的自由流速度下，抖振峰值頻率的最大聲壓級衰減約為6dB。研究發(fā)現(xiàn)，與基線車輛相比，這些經(jīng)過修改的算例艙內(nèi)的壓力波動(dòng)明顯減弱。當(dāng)氣流撞擊鋸齒狀后緣時(shí)，湍流旋渦被顯著抑制。此外，隨著自由流速度的降低，抖振峰值頻率降低，基準(zhǔn)情況與修正模型之間的聲壓級差也會(huì)減小。將后緣修改為鋸齒形后，天窗周圍渦強(qiáng)度顯著降低，表明后緣鋸齒形可以有效降低天窗抖振噪聲。
文獻(xiàn)來源：Wang Zhenyu,Zhuang Mei. A Numerical Study of Trailing Edge Serrations on Sunroof Buffeting Noise Reduction[J]. SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability, and NVH,2017,1(2): 112-118.
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