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汽車高速行駛時所產(chǎn)生的氣動噪聲與車輛乘坐舒適性息息相關，汽車生產(chǎn)商和消費者對氣動噪聲的要求也越來越高。本文利用基于分子動力學算法的氣動噪聲計算軟件Aries對高速行駛的某型號汽車進行了外流場瞬態(tài)分析并對車外氣動噪聲進行了計算。得到了汽車外流場氣動噪聲源的主要部位，并針對這些部位對車外監(jiān)測點的噪聲影響做了定量分析，得到了監(jiān)測點上的聲壓頻譜圖。

1、引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車的生產(chǎn)商和消費者對汽車乘坐的舒適性的要求越來越高，而汽車高速行駛時所產(chǎn)生的氣動噪聲與車輛乘坐舒適性息息相關[1]。氣動噪聲是指汽車行駛時空氣與車身的相互作用而產(chǎn)生的噪聲，俗稱“風噪聲”[2]，主要包括風窗噪聲、泄漏噪聲以及空腔共鳴等[3]。有關研究指出[4-5]，當車速超過100Km/h時，氣動噪聲成為汽車噪聲的主要貢獻源，是影響乘坐舒適性的重要因素。而目前高速公路上的車速大多超過了100Km/h，因此對如何降低及有效預測氣動噪聲已經(jīng)成為全球各大汽車公司研究汽車NVH(Noise、Vibration、Harshness)的重要內容之一。

氣動噪聲的研究方法主要有兩種：一種是風洞試驗方法，另一種是數(shù)值計算方法。就這兩種研究方式而言，風洞實驗的研究方式既費時又昂貴，而數(shù)值計算可以替代部分實驗環(huán)節(jié)，能夠較好的預測汽車車內以及汽車高速行駛時車外遠場、近場聲場特性，從而為汽車設計與噪聲控制提供依據(jù)。目前氣動噪聲的數(shù)值研究方法主要有三種：邊界元、有限元與統(tǒng)計能量法。一般來說，有限元和邊界元方法適用于200Hz以下頻率范圍，而統(tǒng)計能量分析方法適合于50Hz以上頻率段的振動聲學特性分析。而氣動噪聲是一個全頻段分布，因此對于汽車的氣動噪聲仿真要得到一個準確的仿真計算結果，應采用一種適用于全頻段噪聲與振動分析的仿真工具。

本文利用基于分子動力學算法的Aries軟件，對高速行駛的某型號汽車的氣動噪聲進行了全頻段仿真分析。Aries是一款基于分子運動學、全瞬態(tài)、精確計算顯式求解的氣動分析計算軟件，針對將波段從近場聲源傳播到遠場觀測器的難題，Aries噪聲分析模塊采用了根據(jù)近場輸入預測遠場信號的積分技術。其原理為：根據(jù)分子碰撞理論，計算不同時刻流場中各個點的分子團密度函數(shù)，從而得到各點的瞬態(tài)壓力脈動、溫度分布與速度分布；根據(jù)氣動聲學理論的FWH方程(Ffowcs Williams/Hawkings)，用非定常流動的數(shù)值模擬結果作為輸入，根據(jù)聲波傳播的環(huán)境和測點的布局來計算噪聲。通過仿真計算得到汽車外流場氣動噪聲源的主要部位，并針對這些部位對車外監(jiān)測點的噪聲影響做定量分析，得到各個檢查點上的聲壓頻譜圖。根據(jù)得到的可視化圖形結果，對車身相關部位做出適當調整，以指導產(chǎn)品的開發(fā)、設計。

2、研究方法

有關研究表明[6]：運動車輛車速越大，車身表面流速越大，脈動壓力的脈動幅度越大，各頻率上對應的聲壓級就越大，總聲壓級也越大，故輻射噪聲就越大。這是因為高速氣流經(jīng)過汽車外表面時，由于汽車表面存在不規(guī)則的曲面和結構，這就會導致氣流發(fā)生嚴重的分離，形成復雜的湍流結構，進而出現(xiàn)很高的氣動噪聲[7]。因此，氣動聲學屬于流體聲學的范疇，被定義為可壓縮非定常問題，一般看作是流體力學與聲學的結合。Aries軟件包含了一整套集成的計算流體力學與計算聲學技術，包括波爾茲曼方程算法和聲類比方程Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)。

2.1 玻爾茲曼方程

與基于連續(xù)介質假設的傳統(tǒng)計算方法不同，Aries基于分子動力學，是從微觀動力學角度出發(fā),將流體的宏觀運動看作是大量微觀粒子運動的統(tǒng)計平均結果，宏觀的物理量可由微觀粒子的統(tǒng)計平均得到。這些流體粒子在離散的格子上按一定規(guī)則進行遷移和碰撞演化。流體粒子演化規(guī)則可由玻爾茲曼動力學方程的BGK近似形式描述：

公式1

忽略粒子間的作用，可由公式1得到：

公式2

其中Ω(f)為碰撞項，表示由于兩體碰撞引起的分布函數(shù)的變化。方程中的其他符號是：ξ是三維微觀速度，g是外力場的加速度，▽ξ是速度空間中的梯度算子。f=f(x,ξ,t)是相空間(x,ξ)中的單粒子分布函數(shù)。feq為Maxwell平衡態(tài)分布。

碰撞項的一個重要特征是碰撞過程中質量、動量和能量守恒。即有：

公式3

將上述積分應用于玻爾茲曼方程，我們得到了質量、動量和能量守恒方程：

公式4

公式5

公式6

其中，P和S為壓力張量和熱通量。

2.2 Ffowcs Williams-Hawkings方程(FW-H方程)

1969年，F(xiàn)fowcs Williams和Hawkings將Curle的結果[8]擴展到運動固體邊界，提出了Ffowcs Williams-Hawkings方程(簡稱FW-H方程)[9]。

其中，方程右邊第一項是Lighthill聲源項，為四極子聲源；第二項表示由表面脈動壓力引起的聲源(力分布)，是偶極子聲源；第三項表示由表面加速度引起的聲源（流體位移分布），是單極子聲源。Lighthill聲源項只存在于運動固體表面之外，在表面內為零；第二、三聲源項僅在固體表面上產(chǎn)生。

3、計算方法及邊界/初始條件

邊界條件設置：入口速度v入=33.3m/s，出口壓力p出=0，車身為靜止無滑移邊界，地面為移動壁面，速度與入口來流速度相同，其他為對稱邊界，法向速度為0。初始條件設置：計算域中介質為均勻空氣，壓力為1個標準大氣壓，流場速度分布為汽車行駛速度。利用分子動力學方法對汽車外流場進行瞬態(tài)分析，并用FW-H方程對汽車外流場氣動噪聲計算。

經(jīng)驗表明，當頻率超過5000Hz時，車身表面脈動壓力和車外噪聲能量都相對較小，同時根據(jù)采樣定律，采集頻率不小于最高頻率的2倍。因此，計算的最高頻率為5000Hz，時間步長為10-4s，采樣時間取0.1s。

圖5 噪聲參數(shù)設置

4、計算結果及分析

實車風洞試驗數(shù)據(jù)及相關理論研究[10-13]表明，汽車的氣動噪聲與渦流流動密切相關，存在漩渦的地方壓力系數(shù)的負值較大，變化頻率也較大。因此渦流區(qū)的氣流流動是研究氣動噪聲的重點之一。

圖6為車身表面靜壓力云圖，圖7為車身表面壓力系數(shù)圖，由圖中可以看出A柱、C柱、后視鏡、發(fā)動機蓋、車頂前后緣、汽車尾部以及前車輪上壓力梯度變化較大，產(chǎn)生負壓梯度區(qū)，導致出現(xiàn)氣流分離區(qū)。

圖6 車聲表面壓力云圖

圖7 車身表面壓力系數(shù)云圖

汽車行駛時，前方來流首先遇到車身頭部前端，使氣流受阻，速度大大降低，氣流的動壓變?yōu)殪o壓，因此在車頭前部形成一個正壓區(qū)。同樣在氣流受阻的頭部上方形成正壓區(qū)。在車頭的拐角和車身前端側部由于氣流發(fā)生分離，流速比較大，因此出現(xiàn)負壓區(qū)。車身的后部由于發(fā)生了氣流的分離出現(xiàn)了小部分面積的正壓區(qū)。在車的尾部則是負壓區(qū)。

圖8為車身表面速度分布云圖，圖9為車身表面速度分布矢量圖，圖10為車身周圍速度分布矢量圖，由圖8～圖10可以看出車頭前緣、A柱、后視鏡、C柱周圍、風窗的上部、車頂?shù)暮缶壱约捌囄膊克俣忍荻茸兓^大，這是因為這幾處都有較大的拐角，氣流在此分離，使得流速加快。

圖8 車身表面速度分布云圖

圖9 車身表面速度分布矢量圖

圖10 車身周圍速度分布矢量圖

氣流從模擬風洞的速度入口吹入風洞，在氣流吹到車頭部門時，氣流受到汽車的阻礙，其流動速度降低，氣流的流動方向發(fā)生改變。流經(jīng)車身上表面的氣流基本上能夠沿這車身的形狀進行貼體流動。氣流在車尾部產(chǎn)生分離形成尾流區(qū)，如圖10所示。

圖11為車身表面聲壓圖，聲壓是大氣壓受到聲波擾動后產(chǎn)生的變化，通過對車身聲壓計算可得到聲功率，聲功率反映了單位時間向外輻射的聲能。從圖11可以看出，A柱、后視鏡、發(fā)動機罩、前輪、C柱周圍的聲功率較大，具有較強的向外輻射噪聲的能力。

圖11 車身表面聲壓圖

由圖6～11可知，汽車前臉處和后視鏡處的壓力最大，在有氣流分離區(qū)的A柱附近、發(fā)動機罩處、車輪處，其表面聲源分布較集中，而最大聲壓分布在后視鏡的邊緣處。由以上分析可知，在相對流速較大、壓力梯度較高、聲壓值較大的地方，脈動壓力值也較大，產(chǎn)生的氣動噪聲也較強。

圖12為計算過程中輸出的檢測點數(shù)據(jù)，通過軟件后處理的傅里葉變換功能得到聲壓頻譜圖。由圖12中各聲壓級在各個頻率的分布可以看出，聲壓級屬于寬頻譜。同時，在300Hz內的低頻區(qū)域，聲壓級驟降較為明顯；在300Hz及以上的較高頻區(qū)域，聲壓級下降緩慢，最終穩(wěn)定在65dB左右。

圖12 檢測點聲壓頻譜圖

5、總結

利用基于分子動學方法的Aries軟件，對汽車外場進行噪聲的仿真計算，得到汽車表面脈動壓力云圖、速度分布云圖及矢量圖、表面聲壓云圖。仿真結果表明：車身前臉、后視鏡、A柱、前輪雨刮器這些暴露在高速氣流中的部件，由于拐角較大，速度、壓力梯度較大，直接導致了噪聲的產(chǎn)生。因此，減小車身前臉處、后視鏡處的氣流分離，改變后視鏡的圓角大小，降低前風窗玻璃處的傾角大小，可減小汽車高速行駛時的氣動噪聲。

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