汽車風(fēng)窗噪聲及風(fēng)振噪聲的機(jī)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(dòng)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(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了極大的污染。另外隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,縮短開發(fā)周期成為汽車廠商搶占市場(chǎng)和節(jié)約成本的主要方式之一。因此在汽車設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)估與分析,為汽車設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。針對(duì)消費(fèi)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(jì)算當(dāng)中存在的問題。
　　本文旨在尋求精確求解氣動(dòng)噪聲源的計(jì)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(jī)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(duì)二維圓柱模型以及三維后視鏡模型的外部流場(chǎng)及聲場(chǎng)計(jì)算,得出適合鈍體模型外部氣動(dòng)噪聲計(jì)算的亞格子尺度模型;為提高對(duì)近壁面流動(dòng)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(jiǎn)易鈍體模型的外部氣動(dòng)噪聲以及汽車風(fēng)振噪聲計(jì)算,后者用于復(fù)雜形體——汽車的外部風(fēng)窗噪聲求解;針對(duì)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(jì)算對(duì)該導(dǎo)流板控制噪聲的機(jī)理進(jìn)行了闡述,并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該導(dǎo)流板的有效性;嘗試采用主動(dòng)控制的方法對(duì)天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行控制;將本文所取得的成果應(yīng)用到實(shí)際車型——“中氣”轎車。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.低馬赫數(shù)下鈍體模型的外部氣動(dòng)噪聲屬于寬頻帶噪聲,主要由表面壓力脈動(dòng)所引起,而表面壓力脈動(dòng)是一種寬頻帶的壓力脈動(dòng),其中低頻部分由大尺度的渦引起,高頻部分由小尺度渦運(yùn)動(dòng)引起。而在大渦模擬當(dāng)中,小尺度渦由于被模化

4、(即所謂的SGS模型)而無法直接進(jìn)行模擬,因此不同的SGS模型必然得到不同的壓力脈動(dòng)。為此利用二維圓柱以及簡(jiǎn)易的三維后視鏡不同的SGS模型進(jìn)行了對(duì)比分析,并針對(duì)近壁面的流動(dòng)特性引入了壁面模型,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(dòng)。然后采用Lighthill-curle聲類比模型對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。2.采用大渦模擬對(duì)汽車外部氣動(dòng)

5、噪聲計(jì)算時(shí),由于車身表面復(fù)雜的分離流與再附著流,采用簡(jiǎn)單的壁面模型已經(jīng)不能滿足實(shí)際計(jì)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(diǎn)的RANS/LES混合模型應(yīng)運(yùn)而生,同時(shí)對(duì)RANS模型的選擇成為決定混合模型性能的關(guān)鍵。針對(duì)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(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。得到了能用于汽車外部流場(chǎng)計(jì)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(yàn)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)該模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)汽車的外部瞬態(tài)流場(chǎng)。而且通過和風(fēng)洞試驗(yàn)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(dòng),并能大大節(jié)省計(jì)算資源。然后在獲得精確的壓力脈動(dòng)基礎(chǔ)上采用Lighthill-Curle積分公式對(duì)外部氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了求解。3.在對(duì)低馬赫數(shù)下的天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行研究時(shí),流體的可壓縮性是一個(gè)不可忽視的物理特性。但是如果采用完全可壓縮流體

7、進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于馬赫數(shù)如此低的流動(dòng),必將引起數(shù)值方法的剛問題,導(dǎo)致計(jì)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(jì)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(jì)算的發(fā)散。將該模型應(yīng)用到簡(jiǎn)易類車廂天窗風(fēng)振噪聲的計(jì)算當(dāng)中,通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,證實(shí)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(duì)傳統(tǒng)天窗導(dǎo)流板的風(fēng)洞測(cè)試發(fā)現(xiàn),當(dāng)速

8、度超過一定的時(shí)候,傳統(tǒng)導(dǎo)流板就失效了。針對(duì)該問題,提出了一種新型導(dǎo)流板。并從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算仿真的角度對(duì)不同速度下新型導(dǎo)流板控制噪聲的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。另外隨著控制技術(shù)的發(fā)展,工程師開始嘗試采用主動(dòng)控制的辦法對(duì)風(fēng)振噪聲進(jìn)行控制,本文也嘗試了采用主動(dòng)控制的辦法,即在天窗開口的后緣噴射一股隨時(shí)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(duì)中氣轎車側(cè)窗開啟時(shí)的瞬態(tài)外流場(chǎng)進(jìn)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(gè)數(shù),不同風(fēng)速,側(cè)窗開啟位置對(duì)駕駛員耳旁風(fēng)振噪聲的影響。針對(duì)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(duì)天窗開啟時(shí)的瞬態(tài)外流場(chǎng)進(jìn)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(duì)導(dǎo)流板的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過對(duì)天窗玻璃開啟的不同位置所產(chǎn)生風(fēng)振的頻率進(jìn)行分析,結(jié)合風(fēng)振產(chǎn)生機(jī)理推導(dǎo)出能有效預(yù)測(cè)天窗風(fēng)振噪聲頻率的經(jīng)驗(yàn)公式。
　　綜上所述,本文系統(tǒng)地對(duì)汽車風(fēng)窗噪