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汽车气动噪声分析的一般流程

2019-03-24 15:15:32·  来源：易萌森戈CAE工作室  作者：黄森  
　
汽车的噪声水平是其重要性能参数之一，是影响车内舒适性的主要因素,是人们判断汽车产品质量的一项依据。在市场竞争日益激烈的当今时代，国内外各大汽车公司历来
汽车的噪声水平是其重要性能参数之一，是影响车内舒适性的主要因素,是人们判断汽车产品质量的一项依据。在市场竞争日益激烈的当今时代，国内外各大汽车公司历来十分重视对汽车噪声控制技术的研究并逐年加大资金投入。行驶中的车辆，噪声包含有多种成分，如发动机噪声，轮胎噪声以及气动风噪声等等。随着汽车工业的发展，车辆噪声控制在不同时期具有不同的研究重点：在控制车辆噪声初期，发动机噪声，传动系噪声和底盘噪声等曾是车辆噪声控制的研究重点，经过汽车工程师多年来的努力，这种机械噪声逐步得到了控制。后来，人们又发现当车辆在较高速度下行驶时，轮胎噪声变得和其它噪声同等重要，同样经过人们的不断改进，轮胎噪声情况也极大地改善。近些年来，随着车辆性能的提高以及高等级公路的建设，车辆的速度越来越快，车辆外流场的气动噪声以车速的六次方的数量增长，因而，当车辆的其它噪声得到有效的控制后，车辆的气动噪声就变得尤为重要了。七十年代，研究人员发现，车速为70km/h的情况下，气动噪声的范围为62～78dB(A)，而在速度为110公里km/h的情况下，气动噪声的范围达到80～90dB(A)。新的研究指出，车速超过100km/h，气流噪声对车外噪声的影响已超过了其它噪声，而目前高速公路上的车速大多超过100km/h。
图1
汽车风噪声的产生原因较为复杂，高速行驶中的汽车和空气发生相互作用，在汽车外部形成复杂的绕流场。由于汽车的复杂外形，气流流动多是不平顺的，在汽车大的拐角处都会发生气流分离的现象，形成复杂的涡流流动，正是这些复杂的涡流流动产生了很高的压力脉动，进而诱发了极大的噪声，噪声的研究是与湍流的研究紧密相关的，湍流的形成与汽车外形有着直接的关系：汽车外形存在大的拐角，如车头、尾及两侧等，气流容易发生分离，气流发生分离后，在流场中形成复杂的非定常涡；汽车外表面有后视镜、雨刷、流水槽和装配缝隙，下部有车轮、悬架、排气管等复杂的底部结构，所有这些都暴露在空气中，导致气流流动不平顺，在旋转车轮周围，车底与地面之间，后视镜附近等部位形成涡流流动；同时，车身表面部分气流分离后又重新附着在车身上，形成附着流动。这些湍流是由各种不同尺度的涡叠合而成，这些涡流的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动的边界条件所决定，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。因而在湍流区域内，流体涡的尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化，导致压力脉动在一定范围内持续变化。因此在不同的时刻，风噪声随着湍流的变动而不同。
 
  气动噪声是由于气流流过车体表面引起的气流压力扰动产生，它起因于气体内部的脉动质量源（单极子噪声源）、作用力的空间梯度（偶极子噪声源）和应力张量的变化（四极子噪声源）。车辆80km/h以上高速行驶时气动噪声成为整车的主要噪声源,特别是新能源汽车，没了发动机噪声的遮蔽，风噪问题更加突出。汽车车内感受到单极子声源主要是通过车窗密封泄露的噪声，分为静态密封及动态密封。 在车内感受到双极子声源主要为汽车表面的非定常空气动力脉动引起，与汽车表面的形状密切相关。在频率上分为两种噪声，一是空气动力脉动直接通过顶窗或侧窗开口与车内空气空腔作用，产生低频风振；二是空气动力脉动通过车身结构，尤其是噪声比较薄弱的玻璃部位，把噪声导入车内，这样产生的噪声称为风激噪声，频率通常在500Hz以上。
图2声源的简化
 
声场是流场的组成部分，本质是非定常的压力脉动，要对气动噪声进行仿真分析，首先得基于CFD求解流场，导出CFD流场数据CGNS文件，在湍流模型选取时建议选取DES分离涡模拟法,LES大涡流法或者瞬态雷诺应力平均模型，urans模型仅能捕捉到低频的窄带信号。进行气动噪声分析前，先进行稳态计算，在计算收敛以后以此为初值进行瞬态计算。
图4CFD表面压力求解
 
如图将流场区域的入口设置成速度入口；出口设置成压力出口，出口表压为零；底面和车身表面均设置成无滑移壁面；其余侧面设置成对称面, 稳态计算结果引入了整体时间的平均消除了瞬态的影响。而对于车身表面的涡运动及流体脉动，还需以稳态计算结果为初值进行瞬态计算，在瞬态求解参数的设置中，将压力速度耦合方式改为PISO格式，这种方式更利于瞬态求解的收敛。方程格式均选为二阶以保证求解精度。时间步长的设置,可以按照公式 t =典型网格尺寸/特征流速估算，或者选择能解析小流动特征的时间步。鉴于研究的气动噪声属于高频噪声，为使分析频率达到5000Hz，将固定时间步长设为 0.0001s。迭代步数设为2500步。在FLUENT中得到的瞬态流场信息中包含着车身表面的脉动压力信息。
图4风噪计算基本流程
下面以一个简单的例子对汽车风噪计算的基本流程进行简介：
（1）对车身进行结构模态分析，计算0-200Hz范围内的模态
图5结构网格
（2）对声腔模态进行求解
图6
（3）导入流体压力脉动数据
图7
(4)流体数据转移，将从CFD分析软件计算的流体压力转移到结构网格上，数据转移时如果CFD网格与所映射的网格一致则直接使用普通的映射方式，如果不一致采用无能量损失应映射法进行映射。
图8
（5）导入场点
图9
（6）导入结构网格和模态结果
图10
（7）导入声腔网格和模态结果
图11
（8）进行基于模态的声振耦合计算
图12
分别应用结构模态和声腔模态，同时建立结构网格和声腔网格之间的映射关系
（9）进行求解计算，得到车内声压云图
图13
（10）计算声压频率响应函数
图14 72km/h的声压曲线
图15 144km./h的声压曲线
得到声压级曲线后可以对整个频带内的总声压级进行计算。
各频带计算总声压级的计算公式为：
其中 Pi L 为第 i 个带宽内中心频率处的声压级， P L为总声压级。根据此公式可以对声压级频谱进行求和计算。
对风噪进行求解可以采用有限元法和边界元法进行计算，后续博文将陆续对风机、管道噪声分析相关知识进行讲解，敬请关注！
 
相关沟通和资讯可以关注微信号samhuang2008或者邮件huangsen008@163.com 
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