汽车引擎盖后缘角度对车外气动噪声的影响

张亮，高继东，郝剑虹，刘学龙，徐辰



汽车引擎盖后缘角度对车外气动噪声的影响

张亮1，高继东2，郝剑虹2，刘学龙2，徐辰2

（1.河北工业大学，天津 300401；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

汽车高速行驶时的气动噪声成为用户抱怨的主要问题之一。现今对于车外气动噪声的研究主要集中于后视镜区域，对于来流方向的汽车引擎盖的研究相对较少。文章运用star ccm+ 稳态分析方法，对比引擎盖-4.5°、0°和4.5°三种后缘角度的流场特性，分析其对于前挡风玻璃及侧窗区域气动噪声的影响。结果表明，引擎盖后缘角度对前挡风玻璃区域的气动噪声影响很大，对于侧窗区域气动噪声有一定影响，4.5°后缘角度对前挡风玻璃区域有较好的降噪效果。

气动噪声；引擎盖；后缘角度；前挡风玻璃；侧窗

前言

随着电动汽车的迅速发展，发动机噪声在电动汽车上已不复存在，汽车在高速行驶状况下，除了轮胎噪声外，汽车的气动噪声成为汽车首要噪声源。气动声学风洞可以捕捉汽车车内外的噪声源，测量出汽车车内外的噪声水平，但在早期的汽车造型设计阶段，需要缩比模型等才能实现，不仅过程繁杂、周期长，而且代价昂贵。而仿真方法周期短、更新快、花费低，所以在造型初期运用仿真方法分析车内外噪声并进行优化控制至关重要。汽车瞬态风噪仿真耗费计算资源十分巨大，需要大型服务器计算数日后才能得到一条频谱曲线，但也未必能与实验风噪频谱进行有效的比较。对于稳态仿真，虽然不能得到噪声频谱信息，但其计算快，耗费资源少，能快速有效地预测不同造型对于气动噪声的影响。对于用稳态分析方法探究气动噪声，国内有一些相关研究。王俊等人运用稳态分析方法分析了A柱造型因素在侧风状态下对于汽车风噪水平的影响[1]；孟繁桐等人运用稳态分析方法探究了一系列网格参数对风噪结果的影响[2]。

本文针对某车型引擎盖，从造型因素入手，通过改变引擎盖后缘角度分析其对于前挡风玻璃及侧窗区域速度、压力及表面声功率级的影响，发现加大引擎盖后缘角度有利于前挡风玻璃区域气动噪声的降低，对于侧窗区域的气动噪声有一定影响，进而为汽车气动噪声优化提供参考。

1 理论方法

研究表明，汽车气动噪声声能量是在一个宽频段范围内连续分布的，而且主要噪声源是自身表面非定常压力导致的偶极子声源[3]。Curle[4]噪声源模型可以用来预测低马赫数流动中固体表面边界层内的偶极子噪声，所以本文采用宽频带噪声源模型-Curle噪声源模型，源模型参数由雷诺时均法（RANS）提供。

Curle方程为：

公式中：p代表密度脉动值，a0代表远场声速，x代表固体表面位置，y代表评估噪声的点，n代表壁面法向量。

对于每单位面积声能量的当地贡献量评价，表面声能量或SAP由如下公式计算得到：

2 仿真模型及参数设置

为了减少计算量及加快计算的收敛性，将该车的底盘及轮胎进行简化，格栅进行了封堵，对于工艺间隙进行了人工密封，其它暴露在外流场中的特征几乎与原车模型保持一致。整车面网格在hypermesh中完成，引擎盖及后视镜区域面网格最小尺寸为2mm，图1为后视镜区域面网格图。计算模型放在长方体虚拟风洞中，计算域总长为13倍车长，宽为11倍车宽，高为6倍车高。为了减少计算量的同时保证仿真分析的准确性，对计算域进行加密，共进行了3层加密区的设定，在局部敏感区域后视镜、A柱、前挡风玻璃、引擎盖等处进行再次加密。边界层共5层，增长率为1.3，保证了大部分区域y+在50左右。最终生成六面体体单元数量约为2600万。模拟风洞在X负方向的壁面设为入口边界，入口边界设为速度边界，来流速度设为130km/h，风向角为0°；与之相对的壁面设为压力出口边界，压力设置为0Pa（相对于大气压）。地面设置为无滑移壁面，汽车模型设置为固壁无滑移壁面。风洞模型如图2所示。图3为汽车引擎盖后缘不同翘起角度示意图。

图1 后视镜区域面网格图

图2 风洞模型图

图3 不同翘起角度示意图

3 数值计算结果分析

汽车前挡风玻璃及侧窗处的气动噪声是气流撞击到雨刷器、A柱及后视镜后，气流分离脱落，形成一系列的旋涡造成的。本文通过研究引擎盖区域的气流变动对气动噪声的影响，找到其内在规律，降低汽车在前挡风玻璃及侧窗区域的气动噪声。

图4 X截面的流场分布图

图4为改变引擎盖后缘角度后雨刮器处的X截面的流场分布图。从图中可以看出，不同引擎盖角度对该处气流有较大影响。相对于0°引擎盖后缘，4.5°引擎盖使后缘处气流速度增加并上扬，减少了对雨刮器的直接冲击，使雨水槽处及雨刮后侧气流的流速减小。-4.5°引擎盖后缘使该处气流速度降低，但增加了对雨刮器直接冲击的气流，所以总体上让雨水槽处及雨刮后部气流的流速增加，进而加剧了该处气流的压力脉动。

图5 前挡风玻璃区域的静压分布图

图5为前挡风玻璃区域的静压分布图。三种引擎盖后缘角度引起的前挡风玻璃上的压力变化总体上具有一致性，但-4.5°及0°引擎盖后缘气流导致雨刮器后侧的前挡风玻璃上出现了较大面积的正压，且压力梯度变化较为明显。而4.5°引擎盖后缘在该区域的正压区面积明显减少，且正压强度明显降低，压力梯度变化相对较弱。在雨刮器表面，-4.5°引擎盖使雨刮器表面存在较大的正压，说明雨刮器对与气流的阻碍作用较大，0°及4.5°引擎盖的雨刮器表面正压逐渐降低，在雨水槽处的压力强度同样随引擎盖后缘角度的增加呈现逐渐降低的趋势。

图6 前挡风玻璃区域的表面声功率级图

图6是前挡风玻璃处的表面声功率级图。从图中可以看出，雨水槽处的低声功率级分布带随引擎盖后缘角度的增加而增多。在雨刮器后侧的前挡风玻璃处，0°及-4.5°后缘角度的声功率级分布没有明显差距，4.5°后缘角度的高声功率级区域明显减少。

汽车侧窗区域的噪声来源于后视镜区域及A柱的气流扰动，而这两处的气流大部分是从引擎盖方向流入，所以改变引擎盖后缘角度必然会影响侧窗的气动噪声水平。图7为后视镜后侧150mm处的X截面的速度云图。

图7 X方向截面速度云图

由图7可以看出，随引擎盖后缘角度的增加，在A柱区域的气流速度高的区域也在增加，其中此处的最高速度的值也在增加，分别为50.6m/s、51.4m/s，52.0m/s。由此可见，引擎盖角度的增加会对A柱区域气流速度有显著的增大效果。

图8 后视镜区域Z方向截面的速度云图

图8是后视镜区域Z截面的速度云图。三种角度在后视镜与三角盖板之间的通道处的最大速度分别是67.1m/s、67.1m/s，67.0m/s，虽然最高速度没有显著减少，但从图8中可以看出，4.5°引擎盖后缘角度模型在该处的高速区域面积明显减少，明显改善了该区域的流场状态。

图9 侧窗玻璃的表面声功率级图

图9是侧窗玻璃的表面声功率级图。由三幅图对比可以看出，在直线以下的区域，随引擎盖后缘角度的增加，表面声功率级较大的区域有依次减小的趋势，说明在该区域气动噪声有逐渐变好的趋势。在直线上方，随角度的增加，声功率级较大区域有显著的增加趋势。这与前文流场分析趋势相吻合。

4 总结

本文通过稳态流场分析发现，处于汽车来流方向的引擎盖后缘角度对前挡风玻璃及侧窗处的流场具有显著的影响。结论如下：

（1）引擎盖后缘角度的增加使引擎盖后缘气流上扬，减少了气流对于雨刮器的直接冲击，从而改善了前挡风玻璃表面的气动噪声。

（2）引擎盖后缘角度增加加速了A柱区域气流的流动速度，使A柱区域湍流脉动加剧，提高了侧窗上侧部分的气动噪声。

（3）引擎盖后缘角度增加减小了后视镜镜壳与三角盖板之间通道的流动速度较大区域，进而减小了侧窗下侧部分的气动噪声。

[1] 王俊,龚旭,张涛,等.某车型A柱风噪优化研究[J]汽车技术:2015, 41-44.

[2] 孟繁桐,盛玲波,孙诗怡.网格设置对稳态风噪结果影响[c]2018汽车NVH控制技术国际研讨会,苏州:2018,234-241.

[3] 陈鑫,冯晓,沈传亮等.车外后视镜造型对气动噪声影响的实验研究[J]汽车工程:2017（2）,206-213.

[4] Curle N. The influence of Solid Boundaries Upon Aerodynamic Sound. Proceedings of the Royal Society, London, 1955, A231:505 -514.

Effect of trailing edge angle of vehicle engine hood on external aerodynamic noise

Zhang liang1, Gao Jidong2, Hao Jianhong2, Liu Xue long2, Xu chen2

( 1.Hebei University of Technology, Tianjin 300401; 2.China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd, Tianjin 300300 )

The aerodynamic noise of vehicles at high speed has become one of the main complaints of users. At present, the research on external aerodynamic noise mainly focuses on the mirror area, and the research on the automobile engine hood in the direction of flow is relatively few. In this paper, the star ccm+ steady analysis is used to compare the flow field characteristics of three kinds of trailing edge angle , -4.5, 0, and 4.5 degree, and to analyze the aerodynamic noise effects on the front windshield and side window area. The results show that the trailing edge angle has a great effect on the aerodynamic noise of the front windshield area, and has a certain effect on the aerodynamic noise of the side window area. The angle of 4.5 degree has a good performance on the windshield area.

aerodynamic noise;engine hood;trailing edge angle;windshield;side- window

1671-7988(2018)22-111-03

U467.1

B

1671-7988(2018)22-111-03

U467.1

B

张亮，男，河北工业大学，车辆工程在读硕士，汽车风噪。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.039