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某车型后视镜气动噪声仿真优化
2020-07-29 23:17:32· 来源：汽车CFD技术之家
摘要：为确保高速工况下，某SUV 车型具有较优的风噪性能，本文采用商业软件STAR-CCM+与VA One 相结合的方法，仿真分析了后视镜造型对风噪的影响，并对后视镜提出
摘要：为确保高速工况下，某SUV 车型具有较优的风噪性能，本文采用商业软件STAR-CCM+与VA One 相结合的方法，仿真分析了后视镜造型对风噪的影响，并对后视镜提出优化方案。该研究方法与结果对汽车风噪研究以及后视镜外造型设计具有一定的指导意义。
近年来SUV 车型越来越受到消费者的青睐，各大车企纷纷推出各自SUV 车型。随着市场竞争的日益白热化，顾客购车更加注重汽车的品质和乘坐舒适性，对NVH 性能要求愈来愈高。通常风噪声随着车速的增高而逐渐凸显，并成为汽车的主要噪声来源，过高的风噪声使得顾客感到烦躁与不适[1]，故而车企对SUV 的风噪性能开发也变得更加谨慎和重视。
过往研究中，风噪性能的优化多基于汽车外造型及车身附件，但工程师们更关注A 柱与后视镜对风噪的影响[2-5]，从降风噪角度考虑，必须对后视镜的造型特征加以限制。而当车速超过100km/h 时，气动声源主要集中在中频与高频范围内[6]，为了更好的捕捉高频信息，本文采用STAR-CCM+做CFD计算，并与全频段振动噪声软件VA One 相结合，运用统计能量分析法
（Statistical Energy Analysis，SEA）对某SUV车型做整车风噪仿真分析，综合开发过程中的各种限制因素来优化后视镜造型。
目前近场声压的求解一般有三个途径：可压缩计算、声类比法和声扰动方程（Acoustic Perturbation Equations）。其中APE 方法是基于不可压缩流体，计算产生的杂散效应较小，比纯可压缩流模拟结果更加精确。基于此点考虑，本文采用APE 方法进行模拟仿真，并在实际计算中不考虑对流情况，且是对指定的噪声区域进行求解。
1 气动声学模型设置
1.1 模型域及网格
本文基于某SUV 造型面进行仿真优化，重点关注后视镜区域对风噪的影响。整个计算域为长方体，其大小保证内部模拟不受计算域影响，如图1所示。由于风噪的仿真受模型精度影响较大，必须采用合理的网格策略。为确保仿真精度的同时节省计算资源与时间，采用切面体网格策略，且仅对左A 柱及后视镜区域重点加密，以严格控制网格数量，该区域体网格单元为2mm，并在车身周围生成精细的棱柱网格，确保充分考虑流体运动所产生的边界层效应，其他加密域与风洞域网格具体划分见图2。
图1 计算域模型
图2 网格及加密区
1.2 物理模型选择
内场声压的计算需要用到瞬态仿真结果，本文稳态计算采用k-ω 湍流模型，迭代求解2000步，具体边界条件设置如下表1。
表1 边界条件
计算域边界 边界设置
入口/ km/h 100
出口/ Pa 0
车身 无滑移
轮胎 旋转
风洞域地面 无滑移，速度矢量
风洞域侧面及顶 滑移
对于瞬态计算，利用声扰动方程（APE）理论来模拟不可压缩流体流动产生的噪声。这个方法，要在STAR-CCM+中激活声波模型，模拟指定区域内的声压，作为在VA ONE 中的声学压力输入，因此该模型设置的一个关键部分是定义计算噪声的区域[7]，即需创建函数来定义噪声源滤波和声学阻尼区，该阻尼区如下图3 所示。整个瞬态分析时间步长为2e-5s，每时间步迭代7 次，
总时长0.3s，为了使计算结果数据较为准确，在计算0.1s 后开始采集数据信息并输出。
图3 声学阻尼区
2 整车声腔模型建立
本文基于统计能量分析理论，在VA One 软件中建立整车SEA 模型，对整车不同零部件采用平板和单曲率板进行模拟，将乘员舱分别划分为头部、腰部、腿部声腔，同时保证各子系统之间的耦合是弱耦合，且子系统由局部模态控制，然后通过面连接实现各个子系统之间的能量传递，并对各零部件的物理属性、阻尼损耗因子、模态密度等进行定义，最后根据实车状况添加声学包，
包括前围内隔音垫、前围外隔热垫、地毯、顶棚等声学包，其中阻尼损耗因子、模态密度以及相关声学包参数均来源于试验测试得到的结果，以
保证SEA 模型更加符合真实模型计算需求。综上所述，所建立整车SEA 模型如图4 所示。
图4 整车声腔模型
3 模型介绍
3.1 基础模型结果分析
原始的后视镜模型与侧窗距离较近，且与侧窗几近无夹角，但模型较为完整，故保留所有细节作为优化的基础模型，其Z 向截面如下图5所示。
图5 后视镜基础模型（Z 向视图）
对baseline 模型仿真结果做傅里叶变换（ FFT ） 后处理， 得到驾驶员侧侧窗在200Hz-6000Hz 范围内的A 计权声压级分布云图、湍流压力脉动云图以及后视镜Z 向截面的功率谱密度云图。
图6 侧窗A 计权声压级云图
图7 侧窗湍流压力脉动云图
从上图6、7 可知，在同频段范围内，湍流压力与声压强度分布上有所重合，且后者量级相较于前者差约20-40dB，由于二者加载到内场声腔模型的方式不一样，响应差异明显，都不能忽视。图6 声强云图显示，由于后视镜与侧窗相对位置不合理，在后视镜附近的侧窗及尾流区域，有较大的压力脉动，是声源的主要发生区。图7 可看出前方来流经A 柱与后视镜耦合作用发生分离，这些分离涡带有较大的能量，反应在侧窗表面即为湍流压力脉动，部分脉动能量会转化成声能量。在后视镜尾流区，侧窗表面压力脉动有明显的增大（图7 虚线框内），这说明结构不恰当，导致流经后视镜的脱落涡，经过充分发展，使带有能量的碎涡再附着到侧窗上，正如图8 所示，它将严重影响驾驶员侧气动噪声。因此需要优化这种现象，改善后视镜尾流区域气体的流动走势，避免带有较大能量的分离涡再附着侧窗，减小侧窗上压力脉动与声源区的大小，以改善驾驶侧内场声学水平，达到降风噪的目的。
图8 功率谱密度云图（Z 向视图）
3.2 后视镜模型仿真优化
后视镜的造型受限制于很多因素（视野、法规等），本文重点优化后视镜与侧窗距离及夹角（X 向），并配以镜壳的局部型面改动，如图9所示，优化1 仅改变夹角，优化2 在优化1 的基础上增大与车身距离，同时优化局部镜壳型面。
图9 后视镜优化模型（Z 向视图）
优化模型仿真结果如下图10、11 所示，其分别为驾驶员侧侧窗在200Hz-6000Hz 范围内的A计权声压级分布云图、Z 向功率谱密度云图。
图10 侧窗A 计权声压级云图
图11 功率谱密度云图（Z 向视图）
从图10 可以看出，优化后的后视镜能明显改善侧窗表面的A 计权声压级峰值与分布。图11功率谱密度显示，优化后的后视镜尾流区域明显减小，尾涡所携带较大能量的区域范围也大大缩小，尤其是优化模型2，对比图8 与图11 可发现，由于改变了距离与夹角（X 向视图），尾流区域气流明显远离侧窗，避免了再附着现象的发生，在一定程度上改善了风噪水平。这一明显改善亦可
从图7 与图12 的对比中显现。
图12 侧窗湍流压力脉动云图（Opt 2）
图13 驾驶员侧内场声压级
将基础状态、优化1、优化2 三个方案经CFD计算得到的对流压力和声学压力分别通过扩散声场和和湍流边界层方式加载于侧窗玻璃上，经VA One 仿真计算，得到驾驶员头部声压级频谱曲线，如上图13 所示。
由图中曲线可以看出，在中频段（200~1000Hz）范围内曲线波动较大，这是由于在该频段内，系统响应既有结构整体模态控制，又有局部模态控制，这种系统内既有由整体模态控制的强耦合子系统，又有由局部模态控制的弱耦合子系统，采用统计能量方法分析存在精度不足、误差较大的问题，需要采用混合FE-SEA方法来解决该问题。因此本文仅限于采用此方法重点关注高频（1000Hz 以上）气动噪声结果。
在高频段范围内，随着频率的升高，对流压力对内部声腔的影响逐渐降低，声学压力对内部噪声的贡献逐步超过对流压力，因此在1000Hz以上高频段主要是声学压力占据主导作用。经对比3个方案声压级曲线可以看出，在高频（1000Hz以上）范围内，优化1 结果不够明显，优化2 结果的驾驶员头部声压级明显改善，相对于base状态总声压级最大改善量可达到1dB 以上，说明后视镜夹角以及后视镜与车身距离的优化对车内声压级改善有明显作用。
4 结论
全文基于APE 噪声源项与CFD 求解器单向耦合的方法，运用STAR-CCM+和VA one 软件，对某SUV 车型后视镜风噪开展了相关的仿真分析，根据计算分析结果，可以得到以下结论：
（1） 通过增大后视镜与侧窗距离，同时选择合适夹角（后视镜与侧窗X 向夹角）能有效降低由后视镜引起的气动噪声，车内声压级仿真结果表明，优化方案2 的优化量能达到1dB 以上，即后视镜的最佳设计实践应呈喇叭口状；
（2）基于能量统计方法（SEA），VA one软件能够较好的仿真计算风噪引起的脉动压力对车内噪声的影响，分析精度符合工程需求；
（3）使用该方法展示的结果优化量虽然很明显，但缺少对标数据，需后续经试验数据验证，并讨论分析仿真与试验的相关性，才能更具说服力。
作者：庄 严 张延杰 林清龙 杨 超
东南（福建）汽车工业有限公司 中国汽车工程研究院股份有限公司
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