基于CFD/FEM的汽车车内气动噪声分析

刘英杰,鲁文波,王 幸,殷 想,侯杭生

(1.中国第一汽车集团有限公司研发总院 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室,吉林 长春 130011; 2.上海海基盛元信息科技有限公司,上海 200235; 3.武汉理工大学 汽车工程学院,湖北 武汉 430070)

作为汽车NVH(noise, vibration and harshness)性能之一的车内噪声水平直接影响着汽车乘坐的舒适性。汽车在行驶的时候,车内噪声来源多样,有发动机噪声、传动系噪声、进排气噪声、车身薄壁板辐射噪声以及泄露气动噪声。随着我国高速公路的不断发展以及汽车性能的提高,不仅汽车高速行驶的时间占比增加,而且有效车速也在提高,使得行驶中气流引起的气动噪声对车内噪声贡献量越来越大。同时,随着汽车的电动化,气动噪声已成为高速电动汽车车内噪声的主要来源。即使是普通燃油乘用汽车,当车速达到100 km/h时,风噪声已上升为最主要的噪声源[1]。当车速从113 km/h增加到177 km/h时,车内风噪声贡献量从78 dB上升到87 dB,上升了9 dB[2]。

在汽车的开发过程中,由于风洞试验成本高,数值模拟已成为研究车辆气动噪声最主要的分析方法。气流流经汽车周围产生的气动噪声以及气流向车内传递引起的车内声学响应是个复杂的物理过程,涉及到流场和声场的计算。目前,对于车内气动噪声的求解,通常采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)进行外部声源计算,然后采用统计能量法(statistical energy analysis, SEA)或者有限元法(finite element method, FEM)对内部声场进行求解。对于CFD/SEA,文献[3-4]进行了较为详细的总结和阐述,文献[5]应用该方法对某乘用车车外空气脉动及其产生的气动噪声向车内的传播特性进行了研究。但是SEA方法在处理中低频噪声问题中的精度还有待进一步改进。

近年来,直接应用FEM法对车内噪声进行计算分析成为热点。文献[6]将声学FEM法成功应用于车窗玻璃及挡风玻璃处气动噪声的传递计算;通过计算车外的瞬态流场以及车玻璃壁面上的脉动压力,利用声比拟方法进行等效声源的转换;然后求解车内声场,计算结果得到了试验的有效验证。文献[7]应用FEM法对江淮汽车某款乘用车车内风噪声进行计算,计算结果与实验结果的对比表明,该方法有着较高的仿真精度。文献[8]应用FEM法对某款MPV乘用车的车窗表面和驾驶员左、右耳的声压进行了分析,并提出了降低该车型气动噪声的改型方案。

本文采用CFD/FEM对红旗H7的车内气动噪声进行求解。其中外部瞬态流场采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)进行求解,并将流场的计算结果与风洞实验进行对比,验证流场数据的准确性;基于莱特希尔(Lighthill)声类比理论进行等效声源转换,获得外部气动噪声源;最后采用FEM法对车内噪声进行求解,将计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明,本文方法在计算气动噪声方面有着较高的精度,且车内噪声主要集中在中低频段。本文对使用CFD/FEM方法计算车内气动噪声进行了实际应用,并取得了良好的结果,对车内气动噪声的计算和研究有着一定的参考和借鉴意义。

1 声类比理论

传统的莱特希尔声类比方程是应用格林函数进行积分求解[9],然而对于复杂边界,格林函数往往难以获得。文献[10]提出了一种声类比方程的新求解方法,在获得频域下的莱特希尔方程变分形式后,采用FEM法进行求解。

气动声学问题求解计算域示意图如图1所示。其中:Ωs为气流流经固体区域;Γs为固体区域的边界;Ωf为流体区域,在该区域内流体状态是非均匀的或者湍流的,受N-S方程控制,在Ωa和Ω∞区域,认为流体状态是均匀的;Γf为湍流区域(声源区)的外边界;Γa为声学截断面的无反射边界。定义区域Ωt=Ωa∪Ωf。

图1 气动声学问题求解计算域示意图

(1)

基于(1)式,文献[10]提出了求解气动声学问题的变分公式,即

(2)

(3)

其中,w*为w的复共轭。

2 声场求解的控制方程

采用FEM法进行声场求解。在一个由边界面Ω所包围、声源分布为q的流体域V中,任意空间点(x,y,z)的声压p受二阶赫姆霍兹方程控制,即

再说，纵是大名鼎鼎的人，实现了多领域斜杠，他的斜杠也有主有从，公众接纳的领域也就只那么一两个。拿王石来说，企业家，做房地产的企业家，是大众视野里的认知，其他的身份，登山、滑伞呀，赛艇、写书呀，并未获得人们广泛了解。

2p(x,y,z)+k2p(x,y,z)=-iρ0ωq(x,y,z)

(4)

其中:k为波数,k=ω/c=2πf/c,c为声速;ρ0为流体密度;ω为圆频率。

将(4)式转换为等效的加权残差积分方程,即

(5)

根据发散定理,由Ω面所包围的区域V内的发散向量场的积分等价于封闭面Ω上向量场φ的垂直分量的积分。由此得到(5)式的弱解为:

(6)

(x,y,z)∈V

(7)

(8)

其中,B为全局形函数梯度分量的(3×nf)矩阵。将(7)、(8)式代入到(6)式,得到:

(9)

3 整车风洞试验

试验车辆为红旗H7轿车,在上海地面交通工具风洞中心进行试验。该风洞为声学风洞,壁面进行了消声处理。试验车如图2所示,进风格栅以及车身缝隙用胶带密封处理,底盘和车轮部分封闭。

图2 试验车辆

在左侧车窗表面安装了5个麦克风测点,用来测量湍流脉动压力,如图3a所示;在车内驾驶位、副驾驶位以及后排共安放了4个人体模型,模型人耳处同样设有麦克风测点,用来测量脉动压力,如图3b所示。

图3 麦克风测点位置

试验所使用的仪器信息和设置分别见表1、表2所列。

表1 实验仪器信息

表2 实验仪器设置

试验车辆处于0偏航角状态,来流风速为120 km/h,待试验车辆周围流场达到稳定状态后,左侧车窗及人体模型的麦克风开始采集数据。试验时采样时间为10 s,时间步长为2.08×10-5s。

4 流场仿真模型与设置

4.1 仿真模型建立

采用软件STAR-CCM+对流场进行仿真。仿照风洞试验段建立的计算域如图4所示,计算域的尺寸为长23 m、宽18 m、高13 m,入口处离模型距离为2 m。

图4 计算域示意图

由于雨刮器、后视镜、门把手等突出物的存在,这些部件附近区域的流场变化较为剧烈,导致车窗玻璃振动，从而向车内辐射噪声,这些区域可看作声源区,如图5所示。

图5 声源区建模

后视镜后方是整车外流场变化最剧烈的区域,此区域湍动能较高,被称为湍流核心区。在划分网格时,重点对声源区和湍流核心区进行加密,以获得准确的流场结果。设置车身表面网格尺寸为2.0～10.0 mm,声源域网格尺寸为1.2～4.0 mm,后视镜后方的湍流核心区域网格尺寸为1.0～2.0 mm,总网格数约为1.5×109。网格划分完毕后,在左侧车窗和试验麦克风测点相同的位置建立压力监测点,以监测湍流脉动压力,如图6所示。

图6 压力监测点

4.2 计算设置

仿真工况和试验工况一致,即来流速度为120 km/h,车辆横摆角为0。模型各边界条件设置见表3所列。为了瞬态计算能够更快收敛,首先进行稳态计算,稳态计算收敛后进行瞬态计算。稳态计算采用k-ε模型,瞬态计算采用LES。

表3 边界条件设置

仿真试验对标频率为100～2 500 Hz,根据Δt≤(1/2)fmax,设置瞬态计算时间步长为2×10-5s,采样时间为0.1 s。

5 流场计算结果

车身表面声源区y+值的分布如图7所示。从图7可以看出,y+值基本都在0～2之间,后视镜上的y+值小于1,满足分析要求。

图7 y+分布云图

玻璃表面监测点脉动压力级的1/3倍频程结果如图8所示。由图8可知,100～2 500 Hz内仿真和试验结果吻合良好,总压力脉动级结果误差均小于3 dB(A)。流场仿真结果足够精确,可用于后续的声学计算。

图8 外流场监测点结果对比

6 声场计算

采用Actran软件进行声学计算。外场和内场声传播模型采用有限元和无限元法进行建立。声学计算网格需要满足1个波长内至少包含6个网格。由于最高频率为2 500 Hz,声学网格最大尺寸为18 mm。

外场声传播模型如图9所示,分为声源区、声传播区和无限元边界。基于声类比理论在声源区进行声源转换,转换后的结果采用积分插值的方法映射到车窗玻璃表面网格上。模型外表面为无限元边界,模拟无反射边界,边界以外的空间声场将采用积分方法求得。声源区与无限元边界之间设立声传播区进行过渡。

图9 外场声传播模型

内声场计算模型如图10a所示。模型内包含座椅、假人、方向盘、车窗玻璃以及其他封闭结构。模型主要由内场空气区域和车窗玻璃构成(挡风玻璃有PVB夹层),前者用于内场声传播的计算,后者用于声源的加载。另外在模型人耳处设置监测点,以便将仿真结果和试验结果进行对比,如图10b所示。

图10 内场声传播模型和监测点位置

计算所需的车窗玻璃参数见表4、表5所列。

表4 玻璃参数

表5 PVB参数

7 声学结果

驾驶员左、右耳的频谱曲线如图11所示。从图11可以看出,车内风噪声主要集中在中低频段,2条试验曲线在250 Hz左右达到顶峰,之后逐渐降低。总体来看,试验和仿真曲线偏差并不大,两者在趋势上基本一致,试验曲线的峰值也能够被仿真成功捕捉。

图11 声学仿真结果

驾驶员左、右耳总声压级见表6所列。由表6可知,左、右耳仿真偏差值分别为5.8 dB(A)和2.9 dB(A),仿真有着良好的精度。实车内部比仿真模型复杂,导致仿真结果与试验相比不可避免地有一定误差。可以认为,基于瞬态流场的声学计算能够较准确地预测车内气动噪声。

表6 驾驶员左、右耳总声压级 dB(A)

8 结 论

本文给出了一套完整的基于CFD/FEM求解车内气动噪声的方法,使用该方法对红旗H7轿车的车内气动噪声进行了求解,结果表明:

(1) LES能较为精确地获得汽车外部瞬态流场的流场数据,而精确的外部流场计算是进行车内气动噪声求解的基础。

(2) 得益于精确的外流场计算结果,FEM计算的车内气动噪声和实验值吻合良好,证明了CFD/FEM方法求解汽车气动噪声的可靠性。

(3) 车内气动噪声为宽频带噪声,且主要集中在500 Hz以下的低频段。车内声压级在250 Hz左右达到最大值,之后逐渐降低,这对后续的气动噪声降噪方案的制定有着重要的意义。