汽车天窗风振噪声的数值仿真研究

夏广飞，张莉

（1.江淮汽车技术中心乘用车研究院，安徽 合肥 230009；2. 江淮汽车技术中心发动机试验开发研究院，安徽 合肥 230009）

引言

近年来，随着发动机噪声、传动系噪声和胎噪的有效控制，以及汽车速度的不断提升，气动噪声对汽车整体噪声的影响愈加明显。汽车开天窗或开侧窗时，产生的风振噪声是气动噪声的一个重要组成部分。它的频率在20Hz左右、强度高在100dB以上，虽然它不易被人耳听到，但它产生的脉动压力却使乘客感到烦躁和疲倦，这对汽车的舒适性有很大影响。因此，汽车风振噪声已成为各大主机厂和广大消费者关注的主要问题之一。

关于汽车风振噪声的研究始于20世纪60年代[1]，早期研究多借助风洞试验或实车道路试验，周期长且投入巨大。

20世纪90年代以来，随着计算机技术的高速发展，计算流体力学（CFD）技术开始广泛应用于汽车风振噪声的研究。1994年，Ota等[2]采用CFD仿真的方法对二维汽车模型的天窗风振噪声进行了研究。2002年，Karbon等[3]借助PAM-FLOW对汽车天窗风振噪声进行CFD仿真研究，并通过风洞实验对仿真结果进行了验证。2004-2007年，克莱斯勒的安长发博士等[4-8]对汽车的侧窗和天窗风振噪声进行了一系列研究，并提出了B柱开槽、调整导流板尺寸和安装角度以等风振噪声控制措施。国内对汽车风振噪声的研究始于2007年，湖南大学的谷正气等[9]将风振噪声这一概念引入国内。此后，湖南大学的汪怡平、杨振东等人[10、11]对汽车的天窗和侧窗风振噪声进行了较为研究。

本文针对某车型存在的天窗风振噪声问题，利用CFD仿真的方法对其进行了仿真计算，并对比道路实验结果验证了数值仿真的有效性。通过对比研究未添加导流板和添加导流板两种情况的天窗风振噪声，阐释了导流板抑制天窗风振噪声的机理，并在此基础上提出了导流板的改进建议。

1 数值仿真方法

1.1 控制方程及湍流模型

对于天窗风振噪声这一瞬态问题，本文采用大涡模拟（LES）对其进行CFD仿真研究。LES的控制方程如下：

运动方程：

运动方程：

式中：t为时间；xi、xj为坐标轴分量，ρ为密度，ui、uj为过滤后对的速度分量；p为过滤后的压强；τij为压个子尺度应力。

为使控制方程封闭，当前多采用较多的亚格子模型是涡旋粘性模型：

式中：δij为克罗内克系数；μt为压个子湍流粘性系数；τkk为各项同性的亚格子尺度应力；Sij为求解尺度下的应变率张量分量，定义为：

1.2 计算模型及网格划分

图1 内饰及假人模型

天窗风振噪声要研究天窗开启情况下车外和车内的流场信息，因此，除汽车外部模型外，还需要汽车的内饰模型。同时，为与道路实验保持一致，还在主驾驶和副驾驶位置添加了如图1所示的假人模型。

为使仿真更贴近汽车的真实行驶环境，在汽车外部添加长55m，宽28m，高14m的虚拟风洞，车身前端到虚拟风洞的距离为14m。

网格尺寸的好坏，直接影响仿真求解的精度和时长，这里选用切割体进行划分。在天窗及车身周围等重点考察区域设置多个加密区（如图2），其中天窗附近的网格尺寸为4mm。同时，为准确模拟车身附近的附面层，在车身表面生成了 3层第一层网格厚度为1mm，增长率为1.2的边界层网格。最终，整个计算域流体网格的数目为1500万左右。

图2 天窗附近的CFD网格

1.3 仿真设置

本文的数值仿真是在有限区域内进行的，因此需要在边界处设置与实际情况相符的边界条件。文中所用边界条件如表1所示。

表1 边界条件设置

本文在进行瞬态仿真之前，首先利用 Realizable k-ε模型进行稳态仿真，并以稳态仿真的结果作为瞬态仿真的初值。瞬态仿真中的湍流模型选取 LES，时间步长是瞬态仿真中一个很关键的参数，为捕捉天窗开口处的脱落涡，选取0.002s的时间步长进行仿真，内部迭代步数为15，仿真时长为2s。

1.4 仿真方法验证

为验证本文的仿真方法，进行了实车道路实验，道路实验的工况与数值仿真保持一致，车速同为50km/h。道路实验在A级路面上进行，环境风速小于2m/s，环境噪声低于50dB。车内驾驶员和副驾位置左右成员，麦克风布置在驾驶员右耳附近，副驾处成员负责采集驾实验数据。

图3中，仿真结果的声压级峰值出现在17.7Hz处，大小为121.9dB；实验测得的声压级峰值出现在16.6Hz处，大小为 125.2dB。对比发现，仿真结果与实验结果吻合较好，验证了仿真方法的可行性。

图3 仿真与实验的监测点处声压级频谱对比

2 计算结果分析

为研究导流板对天窗风振噪声的控制机理，本文分别仿真了汽车在未添加导流板与添加倒流板两种情况下的天窗风振噪声。

图4是在汽车未添加导流板与添加倒流板两种情况下，仿真得到的监测点处的声压级频谱。从图中可以看出：未添加导流板情况下，监测点处声压级峰值出现在18.2Hz处，大小为 129.9dB；添加导流板后，天窗风振噪声的峰值频率基本不变，峰值下降了 8dB，说明导流板对天窗风振噪声有一定的控制效果。

图4 未添加导流板与添加导流板的监测点处声压级频谱对比

为对导流板的降噪机理进行研究，分别对比了未添加导流板和添加导流板两种情况的速度云图和涡量云图。图5a，未添加导流板情况下，某一时刻的速度云图，图5b为添加倒流板情况下，某时刻下的速度云图，对比发现：受导流板的影响，天窗前缘的气流在通过导流板时发生上扬，使得进入车内的气流速度降低。图6a，未添加导流板情况下，某一时刻的涡量云图，图6b为添加倒流板情况下，某时刻下的速度云图，对比发现：受导流板的影响，天窗前缘的气流在通过导流板时发生上扬，使得进入车内的涡量明显减小。

图5 某时刻下的速度云图（m/s）（a.未添加导流板，b.添加导流板）

图6 某时刻下的涡量云图（/s）（a.未添加导流板，b.添加导流板）

由于导流板的存在，天窗前缘气流发生上扬，进入车内气流的速度降低，涡量减小，车内的压力脉动随之减小，从而实现了对天窗风振噪声的控制。

3 结论

本文借助现有的汽车三维模型对天窗风振噪声进行了数值仿真，并与实验结果进行对比，验证了数值仿真的有效性。主要得出以下结论：

（1）对比研究未添加导流板和添加导流板两种情况，发现添加导流板后，汽车天窗风振噪声下降了8dB，导流板对天窗风振噪声有一定的控制效果。

（2）对比未添加导流板和添加导流板两种情况的速度和涡量云图，发现添加导流板后，来自天窗前缘的气流通过导流板时发生上扬，使得通过天窗进入车内的涡旋强度降低，进而导致天窗风振噪声有所削弱。

本文中添加导流板后，天窗风振噪声有所降低，但仍然在120dB左右，风振噪声还较为显著，在下一段的研究工作有必要在认识了导流板的控制机理的基础上，合理调整导流板的尺寸和安装位置，以期达到更好的降噪效果。