汽車風(fēng)窗噪聲及風(fēng)振噪聲的機理及控制方法研究.pdf

1、隨著車輛速度的不斷提高以及其他噪聲的有效控制,氣動噪聲已成為高速車輛的主要噪聲源之一,嚴(yán)重影響了駕乘的舒適性,同時也對環(huán)境產(chǎn)生了極大的污染。另外隨著市場競爭的加劇,縮短開發(fā)周期成為汽車廠商搶占市場和節(jié)約成本的主要方式之一。因此在汽車設(shè)計階段就必須對氣動噪聲進行預(yù)估與分析,為汽車設(shè)計提供指導(dǎo)。針對消費者最為關(guān)注的汽車風(fēng)窗噪聲和風(fēng)振噪聲以及噪聲計算當(dāng)中存在的問題。
　　本文旨在尋求精確求解氣動噪聲源的計算方法,分析風(fēng)窗噪聲及風(fēng)振噪聲的

2、特性與產(chǎn)生機理,探索控制風(fēng)振噪聲的新方法,為降低車內(nèi)噪聲并提高乘坐舒適性提供可靠的理論依據(jù)及有效的研究方法。為此,通過對二維圓柱模型以及三維后視鏡模型的外部流場及聲場計算,得出適合鈍體模型外部氣動噪聲計算的亞格子尺度模型;為提高對近壁面流動模擬的精確度,引入壁面函數(shù)和準(zhǔn)κ-ε-v2/LES混合求解方式,并將前者用于簡易鈍體模型的外部氣動噪聲以及汽車風(fēng)振噪聲計算,后者用于復(fù)雜形體——汽車的外部風(fēng)窗噪聲求解;針對傳統(tǒng)天窗導(dǎo)流板存在的問題,提

3、出了新型導(dǎo)流板,通過計算對該導(dǎo)流板控制噪聲的機理進行了闡述,并通過風(fēng)洞實驗驗證了該導(dǎo)流板的有效性;嘗試采用主動控制的方法對天窗風(fēng)振噪聲進行控制;將本文所取得的成果應(yīng)用到實際車型——“中氣”轎車。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下:1.低馬赫數(shù)下鈍體模型的外部氣動噪聲屬于寬頻帶噪聲,主要由表面壓力脈動所引起,而表面壓力脈動是一種寬頻帶的壓力脈動,其中低頻部分由大尺度的渦引起,高頻部分由小尺度渦運動引起。而在大渦模擬當(dāng)中,小尺度渦由于被?；?/p>

4、(即所謂的SGS模型)而無法直接進行模擬,因此不同的SGS模型必然得到不同的壓力脈動。為此利用二維圓柱以及簡易的三維后視鏡不同的SGS模型進行了對比分析,并針對近壁面的流動特性引入了壁面模型,通過與實驗結(jié)果進行比較,Smagorinsky-Lilly+壁面函數(shù)被認(rèn)為能較為準(zhǔn)確的表面壓力脈動。然后采用Lighthill-curle聲類比模型對遠(yuǎn)場噪聲進行了數(shù)值模擬,通過與實驗結(jié)果進行比較,驗證了模型的準(zhǔn)確性。2.采用大渦模擬對汽車外部氣動

5、噪聲計算時,由于車身表面復(fù)雜的分離流與再附著流,采用簡單的壁面模型已經(jīng)不能滿足實際計算的要求。一種融合了雷諾平均模型和大渦模擬模型優(yōu)點的RANS/LES混合模型應(yīng)運而生,同時對RANS模型的選擇成為決定混合模型性能的關(guān)鍵。針對目前常用的RANS/LES存在的問題,嘗試采用三方程的κ-ε-v2湍流模型作為RANS/LES混合模型中的RANS部分,并且就κ-ε-v2存在的問題對其進行了簡化。得到了能用于汽車外部流場計算的準(zhǔn)κ-ε-v2/LE

6、S混合模型。通過與當(dāng)前應(yīng)用較多的混合模型、大渦模擬模型以及風(fēng)洞試驗結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)該模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測汽車的外部瞬態(tài)流場。而且通過和風(fēng)洞試驗比較,準(zhǔn)κ-ε-v2/LES混合模型能獲得較為準(zhǔn)確的車身表面壓力脈動,并能大大節(jié)省計算資源。然后在獲得精確的壓力脈動基礎(chǔ)上采用Lighthill-Curle積分公式對外部氣動噪聲進行了求解。3.在對低馬赫數(shù)下的天窗風(fēng)振噪聲進行研究時,流體的可壓縮性是一個不可忽視的物理特性。但是如果采用完全可壓縮流體

7、進行計算,對于馬赫數(shù)如此低的流動,必將引起數(shù)值方法的剛問題,導(dǎo)致計算發(fā)散。為此通過引入氣體狀態(tài)方程,從可壓縮流體的N-S方程入手,推導(dǎo)得出適合低馬赫數(shù)下的天窗風(fēng)振噪聲計算的弱可壓縮模型,這樣既考慮了流體的可壓縮性,又避免了數(shù)值計算的發(fā)散。將該模型應(yīng)用到簡易類車廂天窗風(fēng)振噪聲的計算當(dāng)中,通過與實驗結(jié)果的比較,證實了該方法的準(zhǔn)確性與可行性。4.目前在天窗風(fēng)振噪聲的控制目前采用最多的方法就是安裝導(dǎo)流板,通過對傳統(tǒng)天窗導(dǎo)流板的風(fēng)洞測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)速

8、度超過一定的時候,傳統(tǒng)導(dǎo)流板就失效了。針對該問題,提出了一種新型導(dǎo)流板。并從實驗和計算仿真的角度對不同速度下新型導(dǎo)流板控制噪聲的效果進行了評價。另外隨著控制技術(shù)的發(fā)展,工程師開始嘗試采用主動控制的辦法對風(fēng)振噪聲進行控制,本文也嘗試了采用主動控制的辦法,即在天窗開口的后緣噴射一股隨時間呈正弦變化的射流,使上下游相向而行的兩股氣流相互干涉,相互削弱。5.通過對中氣轎車側(cè)窗開啟時的瞬態(tài)外流場進行仿真分析,了解該車的側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性。研究不同側(cè)

9、窗開啟,駕乘人員的個數(shù),不同風(fēng)速,側(cè)窗開啟位置對駕駛員耳旁風(fēng)振噪聲的影響。針對后窗風(fēng)振噪聲過高的情況,采取相應(yīng)措施控制風(fēng)振噪聲。通過對天窗開啟時的瞬態(tài)外流場進行仿真分析,了解該車的天窗風(fēng)振噪聲特性。通過安裝導(dǎo)流板和合理開啟天窗玻璃來控制風(fēng)振噪聲,并對導(dǎo)流板的相關(guān)參數(shù)進行了改進設(shè)計。通過對天窗玻璃開啟的不同位置所產(chǎn)生風(fēng)振的頻率進行分析,結(jié)合風(fēng)振產(chǎn)生機理推導(dǎo)出能有效預(yù)測天窗風(fēng)振噪聲頻率的經(jīng)驗公式。
　　綜上所述,本文系統(tǒng)地對汽車風(fēng)窗噪