汽车气动噪声数值计算分析

　　前言

　　新的研究表明[1-2],车速超过100km/h,气动噪声的影响就已超过了其它噪声,而目前高速公路上的车速大多超过了100km/h。因此,降低气动噪声,以便降低其通过噪声及车内噪声,已经成为全球各大汽车公司研究汽车NVH的重要内容之一。

　　汽车气动噪声主要由泄漏声或称吸入噪声(leak or aspiration noise)、风激励声(wind rushnoise)以及风振噪声(wind buffeting)3部分组成。早期的研究依赖于风洞试验或者实车道路试验。通常需要等待设计阶段的原型车出来后才能进行噪声的测试。唯一可行的降噪方法就是修改原型并且测试修改后对气动噪声的影响,这个过程耗时耗资,并且效果不理想。近年来随着计算机技术的提高,使得通过求解非稳态流体的控制方程预测气动噪声源以及噪声传播成为可能。工程师再也不用耗时耗力来建立原型,通过CFD仿真就能快速评估不同设计更改对气动噪声的影响。

　　文中阐述了汽车气动噪声仿真分析的2个步骤:采用CFD软件Fluent提供的大涡模拟方法(largeeddy simulation, LES)计算出汽车的瞬态外流场,然后在此基础上采用Lighthil-lCurle声学理论和FW-H(FfowscWilliams-Hawkingmodel)模型,对车外气动噪声特性进行预测。最后介绍了该计算仿真手段在实际车型开发中的应用以及降低气动噪声的措施。

　　1 气动噪声数值模拟理论

　　气动噪声的生成和传播可通过求解可压缩N-S方程的方式进行数值模拟。然而与流场流动的能量相比,声波的能量要小几个数量级,客观上要求气动噪声计算所采用的格式应有很高的精度,同时从声源到噪声测试点划分的网格也要足够精细,因此进行直接模拟对系统资源的要求很高,而且计算时间也很长。为了弥补直接模拟的这个缺点,可以采用Lighthill的声学近似模型,把噪声的求解分成2个步骤[3],即将噪声的产生与传播过程分别进行计算(图1),从而达到加快计算速度的目的。

　　1.1 湍流控制方程

　　应用大涡模拟(LES)对汽车的瞬态外流场进行数值仿真分析,求出满足时间精度要求的各相关变量(压强、速度和密度)在声源面上的变化过程。大涡模拟是介于直接数值模拟(DNS)与Reynolds平均法(RANS)之间的一种湍流数值模拟方法。其基本思想可以概括为:用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中大尺度涡,不直接模拟小尺度涡,而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。将N-S方程在物理空间进行过滤,得到LES的控制方程[3]为

　　式中ρ为流体密度;ui和uj为过滤后的速度分量;p为过滤后的压强;μ为湍流黏性系数;τij为亚格子尺度应力(sub grid-scale stress,简称SGS应力),它体现了小尺度涡的运动对所求解方程的影响。