某SUV镂空尾翼气动噪声特性的研究*

秦 玲，杜小锦，冯锦阳，黄顺巧，段孟华，王庆洋

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.上海汽车集团股份有限公司创新研究开发总院，上海 201804）

前言

近年来，随着汽车技术高速发展，行业内外对汽车研究的焦点已经由动力性能向驾乘坐舒适性倾斜。同时，伴随着汽车新能源技术的迅猛发展，“消失的”发动机、平整的底盘等都大幅降低了对车内噪声的贡献，但高速行驶过程中，汽车外造型所产生的气动噪声对车内噪声的贡献比重大幅增加，驾乘者对中、高频噪声的主观感受也更加突出，对此产生的抱怨也更多［1］。

目前，国内外对于汽车气动噪声的研究手段有道路测试、风洞试验、CFD 数值计算［2］。项目开发早期不能提供实车，道路测试是根本行不通的，风洞试验也仅能依靠油泥模型车实现，而CFD 数值计算则不受其限制，所以，企业采取油泥模型车风噪风洞试验与整车数值仿真分析同步进行的策略［3-5］。通过对数值计算结果进行分析，找到优化方向，制作优化方案并仿真计算，再通过油泥模型车风噪风洞试验对优化方案进行验证。这样便可不受实车条件、风洞试验成本的限制，将汽车开发有效进行下去。

尾翼可以提高整车外观运动感，合理设计能够减小气动阻力［6-8］，且尾翼造型多变可增加汽车的独特性。而本文SUV 镂空式尾翼的风洞测试结果表明其是本车最主要的噪声源之一，本文中运用传声器阵列、烟流显示、油流显示等技术对试验时整车及局部的声场声源、流场流态进行了可视化及分析，结合CFD 数值仿真手段对整车外流场进行了模拟及分析，确定了镂空尾翼发声原理，并在此基础上提出了优化方向，同时制定了具体的优化方案进行数值分析和试验验证，两种手段结果均表明优化方案可以有效地改善镂空尾翼区域的风噪声源，提高整车风噪性能。

1 风洞试验

本车开发早期，采用全尺寸声学油泥模型车风洞风噪试验来把控和验证开发车型的外造型风噪性能和相应优化方案。

1.1 测试风洞

本次研究测试在中国汽车工程研究院汽车风洞中心气动-声学风洞中进行。该风洞为3/4开口式回流风洞，喷口面积28 m2，试验段长度18 m，测试最高风速可达250 km/h，测试段流场湍流强度低于0.2%，流场均匀性小于0.3%，压力梯度、气流偏角、边界层位移厚度等各项流场指标均满足设计要求，可以保证在风洞测试中提供高品质流场；除此之外，测试段温度保持在25 ℃（±1 ℃），测试段自由场空间的低频截止频率为63 Hz，背景噪声水平在140 km/h风速下低于58 dB（A），且低频压力脉动小于0.005［9］，满足低背景噪声的要求。

1.2 测试方法

开发前期，尚无实车，通过高精度全尺寸声学油泥模型来进行外造型风噪风洞试验。

油泥车经过骨架设计搭建-油泥外形粗胚-机床精加工-精度比对，得到外造型高精度的油泥车。油泥车除了外造型，还要尽可能真实地反映车内声学情况，侧窗、前后风挡、天窗都安装与实车等厚度的玻璃，油泥车内部设计真实的驾驶舱，舱内安放座椅，并在舱内壁面上粘贴合适的吸声材料。

测试前，在油泥车内安装4 套德国Haed Acoustic 公司提供的HMS IV 代数字人工头，分别放置在主驾、副驾、第2 排左侧及右侧座椅位置。通过数采前端、测试信号线将人工头双耳与声学控制室的数据采集分析系统连接起来；测试时，运用测试软件Head Record9.0、分析软件ArtemiS SUITE9.0 进行信号采集、分析处理，得到每个工况下的A计权声压级频谱、声压在各频率成分能量的总级（overall level（A），OA）、语音清晰度（articulation index，AI）。整个测试按照行业标准T/CSAE 113—2019《汽车整车气动-声学风洞风噪试验-车内风噪测量方法》［10］进行。

测试过程中，为了更加直观地了解汽车声源在车身周围的分布，运用车外声源识别采集设备Gfai公司提供的三维阵列（3 × 168 通道）系统自动捕捉车身轮廓，同时对车外声源进行采集，通过分析软件综合计算顶面、两侧阵列的采集信息得到三维波束云图［11］，并映射到车身三维数模上。

除此之外，还可以运用烟流显示技术、油流显示技术对汽车周围的流场以及车身表面的流态进行可视化，可以更直观地研究流场的流动状态。

1.3 测试工况

在测试过程中严格控制试验中的变量，针对尾翼的测试皆是基于同一个基础工况进行。所有工况测试风速为140 km/h，且0°偏航。测试工况如图1所示。

图1 工况示意图

工况1：安装造型设计的尾翼，通过胶带对安装间隙进行密封，后续测试皆是在本工况的基础上进行，即本工况为此处研究的BASE工况。

工况2：在工况1的基础上，将尾翼开口封闭，根据尾翼开口造型制作一对塑料盖板，配合强力黏性胶带对缝隙进行密封和固定。

工况3：在工况1的基础上，拆除尾翼，并用胶带对安装孔进行封堵，保证车身表面平滑无泄漏。

1.4 测试结果分析

采用三维声源识别技术对车身表面声源进行定位、聚焦（如图2 所示），从声源识别可看出，本车除了在A柱-后视镜区域出现声源外，尾翼区域也是一个声源区，且尾翼的声源量级更为突出。

图2 工况1三维声源云图

为了弄清尾翼区域气流的运动状态，在尾翼上表面以及后风挡玻璃的上部区域进行了油流显示（如图3 所示），尾翼上表面以及镂空进口区域的油滴皆是顺着气流方向在其表面流动。尾翼正下方后风挡表面的油滴则存在两种流动状态：一种是气流在小部分区域顺着玻璃表面流动，主要是尾翼镂空通道正下方区域；另一种是油滴停滞在玻璃表面未形成流迹，主要是镂空通道结束后的玻璃面。

图3 工况1尾翼油流图

为了更好地量化有无尾翼、尾翼有无镂空特征对风噪性能的影响，继续对工况2、工况3进行测试，结果如表1 所示，封闭尾翼的镂空特征与拆除尾翼所带来的风噪性能的提升量近乎相等，由此初步判定本车尾翼声源是由其镂空的造型所导致。

表1 测试结果统计表

通过声学耳机回放，主观上对尾翼是否镂空、有无尾翼进行了对比。当有镂空尾翼时，能明显听出存在“轰轰”的声音。故主观认为镂空尾翼产生的声源集中在中低频段。

将工况1与工况2、工况3的频谱曲线 “差值”处理得到图4，两种工况在全频段都有贡献量，且二者在各个中心频率下声压级贡献量很接近，进一步判定本车尾翼声源是由其镂空的造型导致。工况2、工况3 的最大贡献量所在频段都出现在70～500 Hz，次要贡献量频段则都在500～1 000 Hz，故对车内的OA和AI都有很大程度的恶化。

图4 封闭尾翼、拆除尾翼后声压级差值曲线

但是，本车外观美学定位要求尾翼必须存在，且必须有镂空特征，所以为了后续更有效地控制、优化本车尾翼处的气动噪声，运用烟流显示技术分别对工况1、工况2 的尾翼区域气流进行可视化，如图5所示。

图5 尾翼区域烟流图

从烟流结果可直观地看出，当尾翼为非镂空时，前方高速来流流经尾翼表面至其末端，在惯性作用下继续向后流去，但在距后风挡玻璃一定距离的区域，流动方向改变，发生回旋，产生涡漩。而当气流流经镂空尾翼时，高速来流被尾翼前沿强制分流：一部分气体流向尾翼上表面，在尾翼末端分离，因惯性继续向后流动一定路程后，气流方向发生改变，被卷入尾涡；另一部分气流流向尾翼镂空通道，集中运动向后流去，在流出通道不远的后风挡玻璃表面改变运动方向，向上扬起，汇入尾涡。

烟流显示与表面油流结果基本一致。可以判定镂空尾翼上下两部分气流最终都被卷入尾涡中，且在距后风挡玻璃较近区域形成大量涡漩，而高湍动能涡漩作为声源向车内辐射噪声。

因风洞试验资源紧张、测试费用较高，对于本车尾翼优化工作，将采用中国汽研高精度数值计算策略对尾翼流场进行仿真分析和优化。

2 整车外流场数值分析

2.1 模型处理及数值计算

按照中国汽研标准对车身数据进行清理，保留整车外造型细节的几何特征，特别是格栅、雨刮、门框饰条、后视镜、尾翼、门把手、轮胎等几何特征复杂的部件，同时要避免过渡处理带来网格畸变严重或者网格分布不均匀的情况。

为了更准确地模拟汽车行驶过程中车身周围气流状态，计算域的阻塞比应小于5%，同时为了提高计算效率，其阻塞比也不应过小，故本次研究计算域长11L（L为车长），高5H（H为车高），宽9W（W为车宽）。体网格划分过程中对整车进行3 层加密，其网格尺寸由小到大依次为16、32、128 mm。尾翼区域因其流场的复杂性，想要更多地捕捉该区域气流的流动状态须进一步加密，设置局部加密区，其网格尺寸为2 mm，棱柱层总厚度2 mm，共8层。

汽车车速远低于声速，车身周围流场可以视为三维不可压黏性等温流场［12］。整车外流场稳态采用SST（Menter）k-ω湍流模型，迭代5 000 步；瞬态采用基于Menterk-ωSST 的分离涡模拟（DES）模型求解Navier-Stokes 方程的IDDES 方法［13］，时间步长0.05 ms，共计算0.15 s。同时，输出流场信息。

通过波束分解［14］将后风挡的流场信息进行提取，得到流致噪声源［15］和声致噪声源［16］，再将两种声源加载到对应的SAE 模型，从而计算得到主驾的OA和AI。

从测试结果知道尾翼声源最大贡献在100 Hz左右，而200 Hz 以下频段不在本文声场仿真策略的计算范围内，OA贡献量会弱化，故后续仿真工作将以流场变化、车内AI贡献量作为判定方案有效性的依据。

2.2 计算结果分析

流场结果如图6 所示，尾翼气流结构与烟流显示结果吻合。车顶高速气流流经尾翼时，受其造型影响，在前端被迫分流，部分向尾翼镂空通道流去，在突然变窄的空间里被动加速，并在尾翼下型面的引导下“冲击”后风挡（如图6（a）所示）；与此同时，尾翼上下表面气流分离、再附着，使该区域压力梯度增大，后风挡表面压力脉动急剧变化，导致玻璃振动产生声源即偶极子声源［17］，如Curle 声功率［18］云图（图7）所示，较高的声能集中在尾翼正下方的玻璃表面并快速传递至车内。

图6 外流场示意图

图7 尾翼偶极子声源云图

还有一部分气体贴着尾翼表面流动：贴着尾翼上表面流动的气体直至尾翼上表面末沿发生分离；而贴着尾翼镂空段下表面流动的气体直至下表面拐角处发生分离。尾翼上下表面气流先后分离，在尾翼后方空间形成较大的压力梯度，分离后的气流被“卷吸”入逆压区，从而生成大量的湍流涡漩，这些涡漩在空气中周期性的高频运动，扰动空间气流，向外释放能量，即四极子声源［19］，进而辐射至车内，其分布如Proudman 声功率［20］云图（图8）所示。另一部分涡漩在周围气体的带动下向后运动，并重新着陆在风挡表面下半区域，“敲击”玻璃表面，振动产生声源。

图8 尾翼四极子声源云图

综上所述，尾翼产生气动噪声的原因有：（1）气流在尾翼镂空处加速流动，受尾翼下型面的引导直接冲击后风挡；（2）高速贴体流动的气流在尾翼末端分离，并在逆压区的作用下形成大量湍流涡漩向四周辐射声源；（3）部分湍流涡漩作用于后风挡。

3 优化方案与试验验证

3.1 优化方案

根据上文流场分析，认为镂空尾翼优化方向如下：（1）减少镂空处的气体流量；（2）降低尾翼下方气流速度；（3）改变尾翼下方气流流动方向。

为了兼顾到造型对尾翼镂空特征的需求，制定了相应的方案，并通过数值计算的流场结果确定了3个优化方案，几何示意图如图9所示。

图9 优化方案示意图

方案1，设计一个高为19 mm 的导流条，将其安装在尾翼后下方，避免高速气体冲击后风窗表面。数值计算结果如图10 所示，可见实施该方案后，尾翼镂空通道加速的气流在导流条型面的引导作用下，向斜后方扬起，没有冲击后风挡，后风挡表面偶极子声源大幅减弱。同时，扬起的这股气流还对尾翼后方的湍流涡漩造成了一定的扰动，使得部分气体被冲散，减弱了这个区域的气流湍流度，导致空间中的四极子声源也明显降低并远离后风挡。

图10 方案1流场对比图

方案2，将镂空尾翼中部支撑柱加宽（向两侧各加宽100 mm），从而减小镂空段在Y向的开口尺度，达到减少镂空通道进气量的目的。数值计算结果如图11 所示，可见尾翼中部的气流明显减少，从而减弱了通道中气流对后风挡的冲击，后风挡表面偶极子声源明显降低。同时，也削弱了尾翼方湍流涡漩的形成，空间中的四极子声源也随之减小。

图11 方案2流场对比图

方案3，为了尽可能保持原外造型设计，用最小的几何变动来提高风噪性能，只提高尾翼下表面饱满度，让其更具流线型。数值计算结果如图12 所示，可见改善尾翼下表面饱满度后，引导下表面气流流动方向，减弱气流对后风挡的冲击，后风挡表面偶极子声源有所减小。同时，提高了尾翼下表面气流的贴体性，延迟分离，减弱湍流涡漩的形成，空间四极子声源也明显减小，且远离后风挡。

图12 方案3流场对比图

声场计算结果更加明确了上述优化方案可以显著提高车内语音清晰度，同时也能降低车内声压级，具体优化效果如表2所示。将3个方案分别与BASE的频谱进行对比，采纳了优化方案的车内声压级相较于BASE 在全频段皆有减小，贡献量最突出的频段集中在2 000～3 000 Hz，如图13所示。

表2 优化方案计算结果统计表

图13 优化方案仿真结果差值频谱曲线图

3.2 试验验证

为了明确上述方案对车内风噪性能的实际有效性以及贡献量，对其进行了试验验证。

测试风速140 km/h，偏航角度0°。

工况1：BASE工况，即造型设计的尾翼。

工况2：在工况1基础上，安装尾翼优化方案1。

工况3：在工况1基础上，安装尾翼优化方案2。

工况4：在工况1基础上，安装尾翼优化方案3。

测试得到的AI、OA表明3 个方案都能有效地提升本车风噪性能，测试结果如表3所示。将3个方案的声压级频谱与基础工况进行对比，如图14 所示。从3条频谱差值曲线可以看出，3个方案在全频段上都能降低声压级，且在70～1 000 Hz 频段贡献量最大，表明对AI和OA都有较大改善。尤其是在100 Hz左右的频段，声压级减小量最多，BASE 工况听到的“轰轰”声应属于低频噪声，实施了3 个优化方案后，这种声音明显减弱。

表3 优化方案测试结果统计表

图14 优化方案测试结果差值频谱曲线图

测试结果按照仿真计算频率范围200～10 000 Hz进行处理，计算统计车内情况，结果如表4 所示，两种手段AI贡献量十分接近，OA贡献量存在一定差异，但是，对比声压级频谱曲线（见图15），可以看出无论是风洞试验，还是仿真计算，各个方案在计算频段内都能降低车内声压级，且两种手段的差值曲线“走势”几乎一致，由此证明，优化方案对于提高车内声学性能皆是有效的。

表4 优化方案计算与测试结果对比

图15 结果差值频谱（200～10 000 Hz）曲线图

4 结论

本文中通过试验确定了镂空尾翼对整车风噪性能有较大的不利影响，同时，通过对测试结果与数值计算结果的分析，明确了镂空尾翼发声原因，提出了优化方向，制定了具体的优化方案，并对优化方案进行了数值计算分析、风洞试验验证，从而进一步验证了镂空尾翼气动噪声的发声原理和优化方向。同时发现对声场低频计算精度有待提高，这将是后续研究的重点之一。本文研究可得如下结论。

镂空尾翼气动噪声来源：（1）受镂空尾翼的影响，车顶来流一部分从尾翼上表面流过，一部分则从镂空处加速通过，导致尾翼上下区域压力梯度增大，尾翼上下表面的分离气流受后下方低压区的卷吸作用形成大量的涡旋，向车内辐射噪声；（2）在尾翼下方低压区的吸附作用下，尾翼后方部分气体作用于后风挡，产生声源；（3）在镂空处高速通过的气流受尾翼下型面的引导直接冲击后风挡，产生声源。

镂空尾翼优化方向：（1）减少镂空处的气体流量；（2）降低尾翼下方气流速度；（3）改变尾翼下方气流流动方向。

文中的试验结果和研究结论可为汽车尾翼造型设计提供气动声学设计指导，同时为镂空尾翼气动噪声的优化提供重要依据，具有实际工程意义。