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1 2008 年 4 月第 34 卷第 4 期 北京航空航天大学学报 JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics April 2008 Vol.34 No.4 匀速及加速行驶直背式轿车气动噪声 蓝天康宁郑昊 ( 北京航空航天大学汽车工程系, 北京 ) 摘要 : 应用计算流体力学软件 FLUENT 对简化直背式轿车外部流场及车外某接收点处气动噪声进行了数值计算和分析. 脉动流场计算采用大涡模拟湍流模型, 动量方程的离散格式采用有限中心差分格式. 分别对两种匀速运动情况和一种加速运动进行了计算, 由此研究不同车速 匀速和加速运动对接收点处脉动流场和气动噪声的影响. 对于匀速运动, 车速越大, 接收点处流速越大, 压力越小, 在每个频率上所对应的声压级基本上越大, 总声压级也越大 ; 在同一行驶速度下, 加速运动比匀速运动在接收点处的流速要大, 压力要小, 在每个频率上所对应的声压级基本上要大, 总声压级要大, 声压级随频率的变化情况与匀速运动一样. 关键词 : 气动噪声 ; 数值计算 ; 大涡模拟 ; 加速行驶中图分类号 :U461.1 文献标识码 :A 文章编号 : (2008) Aerodynamicnoiseofafastbackcarinuniformandacceleratedmotion LanTian KangNing ZhengHao (Dept.ofAutomobileEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China) Abstract:Numericalsimulationandanalysisofflowfieldaroundasimplifiedfastbackcarandaeṟ odynamicnoiseatsomereceivingpointwereconductedusingcfdsoftwarefluent.thepulsating flowfieldwassimulatedbythelargeeddyturbulencemodelandthemomentumequationswerediscretizedwiththeunboundedcentraldiferencescheme.thecalculationswereperformedunderthree conditions:uniform motionwithtworunningspeedsandacceleratedmotion.theinfluencesofpulsatingflowfieldandaerodynamicnoisebyuniform motionspeed,uniformandacceleratedmotionswere investigated.theresultsshowthatwiththeincreaseofuniform motionspeed,thevelocity,sound pressurelevelcorrespondingtoeachfrequencyandtotalsoundpressurelevelatthereceivingpointbecomebigger,thepressurebecomessmaler;atthesamemotionspeed,thevelocity,soundpressure levelcorrespondingtoeachfrequencyandtotalsoundpressurelevelinaccelerated motionaregreater thanthoseinuniform motion,thepressureissmaler. Keywords:aerodynamicnoise;numericalsimulation;largeeddysimulation;acceleratedmotion 汽车噪声是当前汽车生产商和汽车消费者普遍关注的一个重要问题. 驾驶员如果长期受噪声影响, 便会产生驾驶疲劳, 出现身体乏力 心情焦燥 反应下降等不适情况, 很容易发生交通事故, 给个人和社会造成危害. 特别在汽车高速行驶时, 气动噪声十分明显. 因此有必要对汽车气动噪声问题进行研究 年刘红光等通过求解广义 Lighthil 方 程, 得到了适合车辆行驶工况的气流噪声积分计 算公式, 并根据车辆的实际工况, 对气流噪声计算 公式进行了分析, 对车辆气流噪声的某些特性进 [1] 行了讨论和试验.2005 年奇瑞公司的杨万里等 用大涡模拟模型计算了某乘用车的瞬态外流场, 并以后视镜及 A 柱区域为噪声源, 预测了车外场 点的噪声特性, 模拟值与测量值在高频范围内比 较符合 [2]. 同年吉林大学的肖军生等人对简化汽 收稿日期 : 作者简介 : 蓝 天 (1980-), 男, 天津人, 硕士生,kagning@buaa.edu.cn.

2 466 北京航空航天大学学报 2008 年 车模型外流场进行了数值模拟, 并分析得到汽车 外流场气动现象和气动噪声情况, 结果与实验基 [3] 本相符. 以往对气动噪声的研究, 主要是针对匀速行 驶的情况, 本文应用商用 CFD 软件 Fluent 对不 带后视镜简化直背式轿车在匀速及加速行驶情况 下的车外脉动流场进行数值模拟, 并对车外某接 收点处的气动噪声进行分析. 1 流场控制方程及计算模型 通常情况下, 普通轿车车速低于 200km/h, 车身周围外部流动空气可按不可压流体来处理. 汽车在行驶过程中的外部流场可视为等温 非定 常不可压流动, 且空气介质的物性参数为常数. 非 定常不可压 N-S 方程为 连续方程 : 动量方程 : V =0 (1) 췍V 췍t + (V p )V =- ρ + μ 2 V (2) ρ 式中,V 为速度矢量 ;p 为压力 ; ρ 为密度 ; μ 为动 力粘性系数. 本文采用与文献 [4] 完全一致的简化直背式 轿车模型, 模型缩尺比例为 1 8. 模型车长 L 为 512mm, 车宽位为 206mm, 车高 H 为 138mm. 2 计算方法 2.1 计算域建立及网格划分 计算域为包围汽车模型的长方体, 长约 5L, 宽约 5W, 高约 4H, 如图 1 所示. 计算域在车前为 1L, 车侧为 2W, 车后为 3L, 车身离地面距离为 0.02m. 噪声分析接收点 R 设在驾驶员左耳外 侧, 具体坐标为 (230mm,86mm,104mm). 该点 距车身外表面垂直距离约 2mm. 图 1 计算域示意图 本文采用六面体结构网格, 靠近车身网络分 布较密集, 远离车身网格分布较稀疏. 网格数目约 为 万, 车身纵向对称面内网格分布见图 2. 图 2 车身纵向对称面内的网格分布图 2.2 边界条件和初始条件设定进口 : 位于汽车前端约一倍车长 L 处, 为入流边界, 速度大小为汽车匀速或加速行驶速度 ( 见图 1), 即进口速度 ; 出口 : 距汽车后端约 3L 处, 为出流边界, 在该边界上流向梯度为零 ; 地面 : 为无流边界, 采用无滑移边界条件, 速度与进口速度相同 ; 车身 : 为无流边界, 采用无滑移边界条件, 速度为零 ; 其它面 : 包括左侧 右侧和顶部, 均采用滑移边界条件, 速度与进口速度相同. 初始时整个计算域中均为空气介质, 压强为一个标准大气压, 流场速度分布均为汽车行驶速度. 2.3 流场计算方案本文对匀速和加速两种情况进行计算. 匀速车速分别为 :126km/h 和 91.8km/h; 加速从 90km/h 开始, 加速度为 5m/s 2, 加速时间 0.1s 后车速达到 91.8km/h. 由于计算时间限制, 对加速运动计算 0.1s. 在保证计算准确性和缩短计算时间前提下, 对匀速情况采用如下三阶段流场计算方案 : 第一阶段 ( 定常流场 ): 用 Realizablek-ε 湍流模型对车身外流场进行定常计算, 使流场状态接近于汽车平稳行驶时状态 ; 第二阶段 ( 非定常流场 ): 当第一阶段接近收敛时, 用同一湍流模型进行非定常流场计算. 第三阶段 ( 脉动流场 ): 用大涡模拟湍流模型对匀速运动脉动流场进行计算, 对接收点处脉动压力进行噪声分析. 对于加速情况, 在 90km/h 匀速第一和第二阶段计算结果基础上, 用大涡模拟湍流模型对加速运动脉动流场进行计算. 加速运动过程进口速度为变速度. 其它参数均与匀速运动第三阶段相同. 匀速运动 3 个阶段及加速运动均采用分离式求解器的隐式解法和 SIMPLE 速度和压力耦合处理方法. 动量方程离散格式在匀速运动第一和第二阶段采用二阶迎风格式, 在匀速运动第三阶段和加速运动中采用有限中心差分格式. 在时间积分方案上, 匀速运动第二和第三阶段及加速运动均采用二阶精度方案. 定常流场计算结果已由试验结果进行了验

3 第 4 期蓝天等 : 匀速及加速行驶直背式轿车气动噪声 467 证, 具体见文献 [4]. 3 匀速运动情况的计算结果及分析 3.1 第一阶段 ( 定常流场计算阶段 ) 在第一阶段计算中统一设置定常计算迭代次数为 800 次. 图 3 和图 4 为两种车速情况下第一阶段阻力系数 Cd 随迭代步数的变化情况. 在此阶段中, 阻力系数在开始时波动, 随后逐渐下降, 当该阶段计算完成后接近稳定, 均约为 0.5. 图 5 阻力系数 ( 第二阶段,126km/h) 图 3 阻力系数 ( 第一阶段,126km/h) 图 6 阻力系数 ( 第二阶段,91.8km/h) 1/5000 =0.0002s. 为此, 由采样定律, 采样频率 大于或等于 10000Hz, 计算时间步长为 s, 每一步记录一下接收点压力, 共计算 1000 个时 图 4 阻力系数 ( 第一阶段,91.8km/h) 3.2 第二阶段 ( 非定常流场计算阶段 ) 经验表明, 步数为 1000 步, 计算结果可达到给定收敛标准, 阻力系数趋于某一定值. 本文迭代时间步长为 s, 步数为 1000 步, 时间总计 间步, 计算总时间为 0.1s 接收点处流速图 7 和图 8 为两种车速下汽车表面的速度矢量图, 所取时刻为第三阶段结束时刻. 接收点处, 由于简化模型没有附属物 ( 如后视镜 ), 气流没有出现明显旋涡, 速度方向变化比较平缓. 对于两种不同车速情况,91.8km/h 情况下接收点附近流速约为 21.9m/s,126km/h 情况下约为 27.6m/ s, 增加了 20.7%. 可见, 车速越大, 接收点处流速越大. 0.1s. 图 5 和图 6 分别为第二阶段两种车速下阻力系数 Cd 随时间变化情况. 在该阶段, 两种车速下 Cd 均在 s 左右达到此阶段极大值 :126 km/h 车速下为 ,91.8km/h 下为 随后开始下降, 并逐渐趋于稳定.126km/h 车速下稳定值为 ,91.8km/h 下为 第三阶段 ( 脉动流场计算阶段 ) 第三阶段对脉动流场进行计算, 以便记录接收点处脉动压力. 由于大涡模拟计算脉动流场, 所以时间步长大小是决定模拟结果的重要因素. 经验表明, 当频率超过 5000Hz 时, 表面脉动压力和远场噪声能量均已相对较小, 所以可取计算值最高频率为 5000Hz, 时间步长满足 t<1/f= 图 7 车身表面速度矢量图 ( 匀速,126km/h) 图 8 车身表面速度矢量图 ( 匀速,91.8km/h) 接收点处压力 图 9 和图 10 为两种车速下第三阶段结束时

4 468 北京航空航天大学学报 2008 年 刻汽车表面压力分布图. 图 9 车身表面压力分布图 ( 匀速,126km/h) 110dB 开始下降, 并在 38dB 附近波动,126km/h 车速下声压级从约为 123dB 开始下降, 在 42dB 附近波动, 增加了 4Pa. 可见, 车速越高, 整个频域内脉动声压级整体上越大. 接收点处总声压级,91.8km/h 速度下为 116dB,126km/h 为 140dB, 增加了 4dB. 可知, 车速越大, 接收点处总声压级越大. 4 加速运动情况的计算结果及分析 图 10 车身表面压力分布图 ( 匀速,91.8km/h) 由上两图可知对于 91.8km/h 车速情况, 接收点附近压力约为 -72Pa,126km/h 车速情况, 约为 -169Pa, 下降了 97Pa. 由于车速越大, 接收点处流速越大, 这样造成接收点处压力变小. 3.4 气动噪声分析将两种匀速运动情况下大涡模拟计算所得到脉动压力数据进行快速傅里叶变换 (FFT), 可将时域下脉动压力转换为频域下脉动压力. 图 11 和图 12 分别给出了两种车速下接收点处脉动压力级与频率关系曲线. 从接收点处声压级在各个频率上分布情况可看出, 声压级是宽频谱, 无明显主频率, 但能量主要集中在低频区. 计算频谱随着频率增加而下降, 在低频区下降较快, 在 2000 Hz 以上高频部分能量衰减较慢. 91.8km/h 车速下声压级随着频率增加, 从约为 4.1 流场分析 接受点处流速图 13 为加速 0.1s 后车身表面速度矢量图. 同样, 加速过程中车身表面速度分布情况与匀速运动基本一致. 接收点处气流流速约为 22.5m/ s, 比 91.8km/h 匀速运动情况高 0.6m/s, 增加了 2.7%. 可见, 同一车速下, 加速运动比匀速运动在接收点处的流速要大. 图 13 车身表面速度矢量图 ( 加速 ) 接受点处压力图 14 为加速过程中车身表面压力分布图. 由图中可以看出, 在加速运动过程中, 车身表面压力分布情况与匀速时基本相似, 但在数值上有一定差别. 接收点处压力约为 -111Pa, 比 91.8km/h 匀速运动情况小了 39Pa. 由于加速运动造成接收点处流速变大, 所以同一车速下, 加速运动比匀速运动的压力要小. 图 11 接收点声压级频域图 ( 匀速,126km/h) 图 14 汽车表面压力分布图 ( 加速 ) 图 12 接收点声压级频域图 ( 匀速,91.8km/h) 4.2 气动噪声分析图 15 给出了加速 0.1s 过程中脉动声压级与频率的关系. 与匀速一样, 加速过程中声压级随频率增加而下降, 从约为 117dB 开始下降, 并在 2000Hz 以上时, 下降得比较缓慢. 随着频率增加, 基本在 40dB 上下波动, 比 91.8km/h 匀速运动声压级大约 2dB. 可知, 在同一行驶速度下, 加

5 第 4 期蓝天等 : 匀速及加速行驶直背式轿车气动噪声 469 速运动比匀速运动, 整个频域内脉动声压级整体上要大. 接收点处总声压级约为 121dB, 大于 91.8km/h 匀速运动总声压级约 5dB. 可知, 在同一车速下, 加速运动比匀速运动, 在接收点处总声压级要大. 收点处压力为 -111Pa, 比匀速运动小 39Pa; 接收点处声压级从 117dB 开始下降, 在 40dB 上下波动, 比匀速运动声压级约大 2dB; 接收点处总声压级为 121dB, 大于匀速运动 5dB. 总之, 加速运动比匀速运动在接收点处流速要大, 压力要小, 整个频域内脉动声压级整体上要大, 总声压级大, 声压级随频率变化情况与匀速运动相同. 参考文献 (References) 图 15 接收点声压级频域图 [1] 刘红光, 陆森林. 高速车辆气流噪声计算公式 [J]. 交通运输工程学报,2002,2(2):42-44 LiuHongguang,LuSenlin.Calculationmethodoftheaerodynamicnoisearound highspeedvehicles[j].journalof TraficandTransportationEngineering,2002,2(2):42-44 (inchinese) [2] 杨万里, 李明江, 刘国庆. 乘用车风噪声模拟研究 [J]. 华中 5 结论 匀速运动情况接收点处流速,91.8km/h 车速下为 21.9m/s,126km/h 为 27.6m/s, 增加 20.7%; 接收点处压力,91.8km/h 车速下为 -72Pa,126km/h 为 -169Pa, 减小 97Pa; 接收点处声压级,91.8km/h 车速下从 110dB 开始下降, 在 38dB 附近波动,126km/h 从 123dB 下降, 在 42dB 附近波动, 增加了 4dB; 接收点处总声压级,91.8km/h 为 116dB,126km/h 为 140dB, 增加了 4dB. 总之, 车速越大, 接收点处流速越大, 压力越小, 整个频域内脉动声压级整体越大, 总声压级也越大. 加速运动情况接收点处流速为 22.5m/s, 比 91.8km/h 匀速运动高 0.6m/s, 增加 2.7%; 接 科技大学学报,2005,33(11):77-79 Yang Wanli,LiMingjiang,LiuGuoqing.Windnoisesimulationofpassengercar[J].JournalofHuazhongUiversityof ScienceandTechnology,2005,33(11):77-79(inChinese) [3] 肖军生. 高速轿车外流场气动噪声研究 [D]. 长春 : 吉林大学汽车工程学院,2006 XiaoJunsheng.Studyofaerodynamicnoiseforthevehicle withhighspeedintheexteriorflow[d].changchun:coḻ legeofautomotiveengineering,changchun:jilinuniversity,2006(inchinese) [4] 蓝天, 康宁, 郑昊. 直背式轿车起动过程中气动现象的研究 [J]. 航空动力学报,2007,22(11): LanTian,KangNing,Zhenghao.Studyoftheaerodynamic characteristicsofacarinprocessofstarting[j].journalof AerospacePower,2007,22(11): (inChinese) ( 责任编辑 : 张嵘 )

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