汽车后视镜基座造型的气动噪声研究.pdf
.设计 . 计算 . 研究 . 汽车后视镜基座造型的气动噪声研究 ★ 陈 鑫 1 ,2 刘 力 1 王登峰 1 . 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室 ; 2 . 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 【 摘要 】 对两种汽车后视镜基座造型进行了三维数字建模, 并根据声学计算理论, 采用 F l u e n t 模型进行了对比 分析 结果表明 . 采用后视镜 门外板连接 的模型 比后视镜侧 窗半连接模型的平 均声压级低 1 .7 5 d B, 其 中, 后视镜正后 方区域在 8 0 0 H z以下的各频带 中心频率点处声压级可降低 1 0 ~ 1 5 d B 。本文的模 拟方法 比较适合于开发 阶段对 比性 的模拟分析 , 求解速度较快 。 主题词 后视镜基座造型气动噪声 中图分类号 U 4 6 3 . 8 5 %文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 1 0 4 0 0 0 8 0 4 Re s e a r c h o n Ae r o d y n a mi c No i s e o f Ba s e S t y l i n g o f Ex t e r i o r Re a r v i e w M i r r o r C h e n Xi n 一,L i u L i , Wa n g De n g f e n g 1 . S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f A u t o mo b i l e Dy n a mi c S i mu l a t i o n , J i l i n Un i v e r s i t y ; 2 . S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d De s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g , Hu n a n U n i v e r s i t y 【 A b s t r a c t ] T h e 3 一 D d i g i t a l m o d e l s a r e e s t a b l i s h e d f o r t w o k i n d s o f b a s e s t y l i n g o f e x t e r i o r r e a r v i e w mi r r o r . T h e a n a l y s i s u s i n g F l u e n t i s d o n e b a s e d O i l t h e a c o u s t i c t h e o ry o f c o mp u t a t i o n .T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a v e r a g e s o u n d p r e s s u r e l e v e l o f d o o r o u t e r p a n e l c o n n e c t i o n b a s e for m mo d e l i s 1 . 7 5 d B l o we r t h an t h a t s i d e wi n d o w h a l f c o n n e c t i o n b a s e for m mo d e 1 . An d i n s o me i n d i v i d u a l a r e a s b e h i n d t h e r e a r v i e w mi r r o r , t h e s o u n d p r e s s u r e l e v e l i s l o we r f 0 r 1 0 t o 1 5 d B b e l o w 8 0 0 Hz .T h i s me t h o d c a n b e u s e d t o s i mu l a t e a n d a n a l y z e for c o mp a r i s o n p u r p o s e i n t h e c a r d e v e l o p me n t p h a s e wi t h r e l a t i v e l y f a s t s o l u t i o n s p e e d . Ke y wo r d s Re a r v i e w mi r r o r b a s e ,S t y l i n g,Ae r o d y n a mi c No i s e 1 前言 国内对气动噪声 的早期研究 .多是用 L i g h t h i l l 声模拟理论推导高速轿车外部气流辐射声的方法 . 并用风洞试验验证后视镜对气动噪声 的重要影响 . 着重关注了中低频段 6 3 ~ 1 0 0 0 H z 的噪声水平【 l J 而 通过应用稳态 R A N S方法及瞬态的大涡模拟方法分 析后视镜对噪声水平的影响后发现 .优化外轮廓的 安装角 . 可在 中低频段 2 0 0 0 H z以下 上降低噪声 声压级 1 5 d B以上[2 1 。此外 , 后视镜的前脸厚度、 长宽 比、迎风角度 以及边缘切向角等重要参数对气动压 力场也有些很大影II [ [ 3 1 本文在前人研究的基础上 .着重研究后视镜基 座造型对气动噪声水平 的影响 . 并对 S A S p a l a r t A l l ma r a s 模型进行 了探索与应用 . 进一步拓展 了国 内关于汽车后视镜气动噪声的研究 . 为后视镜的设 计提供了参考。 2 气 动噪声模 拟理论 前车窗是影响气动噪声水平的重要位置 . 由于 后视镜 的突出而生成 的非稳定流场及脉动压力则 是产生气动噪声的主要 因素。 根据 C F D理论求解流 场 , 可以得到时域上的脉动压力 , 再经过 F F T变换 , 便可得到噪声频谱等相关信息 2 . 1 S A 模 型 S A模 型最早 被用 于有壁 面限制情况 的流动 计算 中 . 特别在存在逆压梯度 的流动 区域 内. 对 边 界层的计算效果较好 . 因此经常被用于流动分离区 附近的计算 . 后来在涡轮机械 的计算 中也得到广泛 应用 基金项 目 国家 自然科学基金 N o . 5 0 9 7 5 1 1 9 、 国家 8 6 3 计划 N o . 2 0 0 6 AA1 1 0 1 0 2 - 3 、 吉林大学基本科研业务项 目 N o . 4 2 1 0 3 2 5 7 2 4 1 5 、 湖南大 学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金 车身外部造型对车内中高频噪声的影响研究 3 1 0 1 5 0 1 2 项 目资助。 一 8 一 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 . 计算 . 研究 . 早期 的 S A模型用 于低雷诺数 流计算 . 特别 是在需要准确计算边界层粘性影 响的问题中效果 较好 。 F 1 u e n t 对 S A模 型 进 行 了改进 . 主要 改 进 是 可 以在网格精度不高时使用壁面函数。在湍流对流场 影响不大 、 网格较粗糙时, 可 以选用这个模型I4 】 。 S A模型不 同于其他一些单方程模型.不是从 一 方程经过简化得到的.而是从经验和量纲分析 出 发 . 由针对简单流动再逐渐补充发展 . 适用于带有层 流流动的固壁湍流流动单方程模型 该模型相对于 两方程模型而言 , 计算量小 、 稳定性好 , 同时又有较 高的精度 .所以本文在模拟稳态流场及前一阶段瞬 态流场时均采用这个模型。 2 . 2 大 涡模拟 L E S 大涡模拟是将湍流中的大尺度旋涡和小尺度旋 涡分开处理 大尺度旋涡运动对湍流能量和雷诺应 力的产生以及各种量 的湍流扩散起主要作用 .其运 动是各项异性的. 且受流动边界条件影响很大 小尺 度旋涡运动则相反 . 它主要起耗散作用 , 在高雷诺数 下 . 小尺度旋涡运动近似于各 向同性 。 且受边界条件 的影响甚小 。因此 ,可以通过滤波方法将湍流瞬时 运动分解成大尺度旋涡运动和小尺度旋涡运动两部 分分别进行处理 。即对大尺度旋涡运动通过直接数 值模拟得到.而将小尺度旋涡运动对大尺度旋涡运 动的影响通过建立模型来模拟 .这个模型称为亚格 子尺度模 型 s u b g r i d s c a l e m o d e 1 。 大涡模拟方法主要用于复杂湍流的数值模拟 . 并广泛用于噪声分析。 2 . 3 F W H 方程 1 9 6 9年 . F f o w c s Wi l l i a m s和 H a w k i n g s利 用 L i g h t h i l l C u r l e的声学 近似理论推 导出适 合流体 中 运动固体边界条件的 F W H方程[5 1 等一 去 { 日 ∽ }一O a £x i” , 1、 Ll 0 “i P Il ∽ 卜 熹 击 ∽ i 式中 , p 。 为流体 j密度变化量 ; a o 为远场声速 ; 为表 面法 向速 度 ; 6 .厂 为 D i r a c d e l t a函数 ; 日∽ 为 H e a v i s i d e函数 ; 为应力 张量 ; P 。 为未受扰 动时流 体密度 ; 为 L i g h t h i l l 应力张量。 定义为 f p u 一 % - p 0 2 式中, , 为速度分量 。 2 0 1 1 年第 4期 2 0世纪 7 0年代末 . F a r a s a t 将 F W H方程 的积 分进行巧妙变换 . 并提出相应的求解方法 . 该方法是 一 种时域法 根据 F W H方程求解的结果再经过变 换便可以得 出相应的噪声频谱数据 。可 以说 .最近 几十年来气动噪声的求解一般都是基于求解 F W H 方 程得 到 3 建模与计算 本文选择了侧窗半连接造型与门外板连接造型 两种后视镜基座造型 。以某 国产轿车为原型 ,忽略 门把手 、 小 凹槽 、 孔洞以及小倒角等细部结构 , 应用 C A T I A建模 图 1 。 图 1 侧 窗半连接基座模型与门外板连接基座模 型 为了尽量排除干扰 因素.车身及后视镜镜罩均 采用相同模型. 只改变基座的连接方式 , 以便于观察 基座形式对气动噪声的影响 风洞模型以车身基本尺寸 长 宽 Wx 高 日 为 基准 , 采用 7 L x 4 Wx 4 H, 出 、 入 口到车身前端与后端 的距离均为 3倍车长 为节省计算时间 ,采用半车 身模型进行模拟 前处理在 G a mb i t 软件中进行 , 它 是 F 1 u e n t 专用前处理软件 , 并用非结构性 网格对其 进行划分 鉴 于 S A方法对网格不十分敏感 的特 点 . 不对车身细部做适应性处理 图 2 , 从而提高计 算速度 . 适用于对 比性的仿真模拟。 图 2 非结构 网格划分 的流场模 型 研 究表 明. 当车速超过 1 0 0 k m / h时 , 气 动噪声 将超过发动机噪声、 路面激励噪声以及轮胎噪声 , 成 为最主要 的噪声源问 而完成这个模拟过程还需要 根据模型尺寸计算水力直径和湍流强度 , 公式如下 。 水力直径 L O . 0 7 D 3 式 中. D为风洞平均直径 。 湍 流强 度 / 0 . 1 6 x Re 1 4 式 中, e 。 是 以特征长度计算的雷诺数。 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 计算 研究 为了节省计算时间、提高稳定性以及模拟试验 的要求 . 分成 3个阶段进行模拟 第 1阶段 . 应用 S A模型对流场进行稳态求解 , 直至收敛 第 2阶段 , 用稳态计算结果作为初始值 , 继续用 S A模型进行 非稳态流场计算 . 直至迭代结果收敛或b 匕 较稳定 第 3阶段 .利用第 2步计算的结果作为初始值 ,应用 L E S方法进行求解 在设置 F W H方程参数时导入 前车窗表面的 7个监测点 图 3 , 完成非稳态流场 的计算 。监测点选取应能覆盖整个车窗 ,如分离区 的流动情况 比较复杂 . 应尽量提高取点密度 。 而脉动 压力变化不大的区域则要相应减少取点数量 .以此 达到对不同区域进行加权的效果 , 提高模拟质量。 图 3监 测 点 分 布 不 意 本文人 口条件设为速度人 口 v e l o c i t y - i n l e t , 为 3 0 m / s . 出 口条 件 为 流 出边 界 o u t f l o w 。 对 称 面 设 为 对称边界 s y m me t r y . 车身壁 面条件 为无滑移 。压 力 一速 度 耦 合 P r e s s u r e v e l o c i t y c o u p l i n g 选 用 S I MP L E算法。为了提高精度, 涉及迎风格式的参数 一 般设为 2阶. 各阶段其他主要参数设置如表 1 ~ 表 3所 列 表 1 稳态求解器 S A 参数设置 选 项 设置 求解器 S o l v e r 基于压力 P r e s s u r e B a s e d 时 间 属 性 T i me 稳 态 S t e a d y 表 2非稳态求解器 S A 参数设置 选 项 设 置 求解器 S o l v e r 基于压力 P r e s s u r e B a s e d 时间属性 T i m e 非稳态 U n s t e a d y 非稳态格式 隐式 2阶迎风格式 U n s t e a d y F o r m u l a t i o n 2 t h - o r d e r I m p l i c i t 压力 P r e s s u r e 标 准 S t a n d a r d 表 3 大涡模拟求解器 L E S 参数设置 选 项 设 置 基 于节点 的格林高斯方法 梯度选项 G r a d i e n t O p t i o n G r e e n G a u s s N o d e B a s e d 求解时 , 稳态流场求解收敛后 , 进行 2 5 0 0步非 稳态流场求解 , 时间步长设为 5 x 1 0 - s S 。待基本稳定 后设置 F W H方程 的相关参数 . 定义噪声源和 7个 一 1 0 一 监测点 接收点 , 用 L E S方法继续进行 2 5 0 0步非 稳态流场求解 。 求解完毕后可 以得到 7个监测点关于时域的压 力值 , 再经过 F F 1 1 变换之后 , 即可得到各监测点的 频谱数据。 4 计算 结果 经过以上计算 . 两种后视镜在监测点的噪声水 平如图 4和图 5所示 。 1 40 1 2 0 ∞1 0 0 8 O 诅6 O 4 0 监测点 1 . 监测点 5 监测 点 2 监测点 6 监测点 3 一监测点 7 ⋯一 监测点 4 玉 矗 总 , , 2 0 0 0 频率/ H 图 4侧窗半连接基座模型在各监测点的噪声水平 ∞ 韫 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 20 0 0 频 率, Hz 图 5 门外板连接基座模型各监测点的噪声水平 从图 4 、 图5数据可以看出. 两种基座模型对气动 噪声的影响在总体趋势上呈现了相似的规律 .各监测 点在低频范围内 1 3 0 0H z以下 的声压级较高. 且各 点之间的声压级差距较大. 而在中高频率段相差不多. 其声压级也稳定在相对较低的水平。 在低频段 . 两个模 型的监测点 1 均位于 A柱与后视镜之间的 “ 夹缝” 位 置, 气流速度较快. 形成了复杂的湍流流场 . 所 以声压 级一直处在较高位置;监测点 2 、 6由于距离后视镜较 远, 受基座影响较小 , 噪声水平较低 监测点 3处在气 流分离区中流场较为复杂的区域.对比数据呈现出反 常态势; 监测点 4 、 5由于处于后视镜基座正后方, 受其 扰动影响. 噪声水平也相对较高 监测点 7位于车窗玻 璃的中间. 其值接近于其他 6 个监测点的平均值。 两个模型在对应 的监测点上依然存在较 大差 异 . 各监测点的比较情况如图 6 ~ 图 l 2所示 . 其中连 续曲线为侧窗半连接基座模型数据 .离散点为f q 9 1, 板连接基座模型数据 汽车技术 5 6 7 点 点 点 测 测 测 监 监 监 . 二 1 2 3 4 点 点 点 点 澳钡澳澳 监 监 监 监 二 ∞ ∞ 加 ∞ 鲫 ∞ ∞ 加. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .设计 . 计算 . 研究 . 根据图 6 ~ 图 1 2 数据可以看出. 在低频范围内. 对 于监测点 1 而言.由于侧窗半连接基座对气流的阻挡 作用. 在车窗前端位置形成了复杂湍流 . 所以其声压级 比门外板连接模型稍高. 6 0 0 Hz 以下可达 1 O d B左右 监测点 2 、 监测点 6距离基座较远, 由于基座造型而产 生的湍流作用对其影响很小. 所以在两个模型中. 两组 数据比较一致 . 差别很小 监测点 3位于气流分离区与 附着区相交的地方 . 其脉动压力场十分复杂 , 加上 s _ A模型及大涡模拟本身具有一定的局限性.使得模 拟结果呈现出门外板连接模型存较低频率段声压级甚 至高于侧窗半连接模型的状态 ; J r l L .II IIl y JI 点 4 、 监测点 5位 于后视镜正后方区域 . 受基座形式影响最大. 数据表明 门外板连接模型的声压级一直比侧窗半连接模型的 低 , 降噪效果均匀 、 稳定。其 中, 监测点 4在 8 0 0H z 以 下各频率处的声压级可降低 1 5 d B.监测点 5在 8 0 0 H z 以下各频率处的声压级也能降低 1 0 d B左右。 监测 点 7也位于后视镜后方 . 但由于位置较远且偏上 , 受基 座影响不如监测点 4 、 5两点 , 所以只在 2 0 0 Hz 以下各 频率处的声压级降低效果 比较明显。 ∞ 缸 ∞ 担 频率『 H z 图 6监测点 1 对 比数据 频率/ H z 图 7 监测点 2对 比数据 频 翠 , Hz 图 8 监测点 3 对 比数据 通过上述分析可知 .侧窗半连接基座模型与门 外板连接基座模 型在各个监测点的适用效果有所不 同. 就总体趋势来看 。 门外板连接基座模型的噪声水 2 0 1 1 年第 4期 平较好 。为了更加直观的说明这一点 ,分别给出两 组监测点的声压值 , 如表 4所列。 1 1 ∞ 1 1 趟 韫 频率/ H z 图 9 监测点 4对比数据 ∞ 缸 ∞ 韫 频率/ Hz 图 1 O监测点 5对 比数据 频率/ Hz 图 1 1 监测点 6对 比数据 频率, Hz 图 l 2 监测点 7对 比数据 由表 4可知 .门外板连接基座模型比侧窗半连 接模型的平均声压值低 1 7 . 6 5 P a ,平均声压级可相 应降低 1 .7 5 d B。 5 结果分析 门外板连接模 型能够产生较好降噪效果 的原 因.是将基座扰动气流产生的脉动压力场由车窗位 置向下转移到了车门部分 。从而达到较好的降低车 窗噪声的 目的。而各监测点的对比数据同时表明 , 在某些区域上 .门外板连接模型的噪声水平呈现出 稍高于侧窗半连接模型的态势 .这可能是由于气流 分离与 附着 的复杂流场 、 s A模型 、 大涡模 拟等理 下转第 6 0页 一 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m .材料 . 工艺 . 设备. 鋈 略 ‘ 罂 面 车身平 均刚度/ % 图 7焊点拓扑优 化应用效果 参考 文 献 1 Be n d s o e M P h, Ki k u c h i N. Ge n e r a t i n g Op t i ma l T o p o l o g i e s i n S t r u c t u r a l De s i g n Us i n g a Ho mo g e n i z a t i o n Me t h o d , C o m p u t . Me t h s . A p p 1 . Me c h . E n g r g . , 7 1 1 9 8 8 1 9 7 N 2 2 4 . 2 P e d e o n P . I n fl u e n c e F r o m No n l i n e a r i t i e s o n Op t i mal S h a p e De s i g n .Th e 7 t h AI AA/ US AF / NAS A/ I S S M0 S y mp . On Mu t i d i s e i p l i n a r y A n a l y s i s a n d O p t i mi z a t i o n , P a r t 2 1 9 9 8 l 1 23一l1 30 . 3 P e d e r s o n P . On Op t i ma l S h a p e s i n Ma t e ria l a n d S t ruc t u r e s . S t r u c t . Mu l t i d i s c . Op t i m. ,1 9 2 0 0 0 1 6 9 1 8 2 . 4 F u j i i T , S h i b u y a S , S a t o Y, e t a 1 . N e w B o d y i n Wh i t e C o n c e p t T h r o u g h T o p o l o g y Op t i mi z a t i o n , VDI B e r i c h t e , N r 1 8 4 6 2 0 0 4 6 0 3 6 1 5 . 5 Ak i r a Ya ma g u c h i , Go s u k e W a k a n a .Ka z u h i r o O b a y a s h i a n d T o mo s a b u r o Ok a b e . S p o t - w e l d L a y o u t O p t i mi z a t i o n f o r B o d y S t i f f n e s s b y T o p o l o gy O p t i mi z a t i o n . De s i g n Op t i mi z a t i o n Me t h o d s a n d Ap p l i c a t i o n s , S P 一 2 1 7 5 2 0 0 8 . 6于多年, 王登峰。 汪振华. 等. 基于拓扑优化 的重型货车 驾驶 室轻量化技术研究. 汽车技术. 2 0 0 9 9 1 8 2 1 . 7 张守元. 轿车模态分析及 车身优化设计. 沈 阳东北大学. 2 00 8. 责任编辑文楫 修改稿收到 日期为 2 0 1 0年 1 1月 1 5日 上接 第 1 1页 论本身局限性综合作用的结果 。 表 4两种基座模型各监测点平均声压 声压值/ P a 参数 侧窗半连接 门外板 连接 监 测 点 1 2 7 6 .4 3 1 1 8 - 2 5 0 . 4 4 6 7 5 监 测 点 2 -1 0 2 . 3 5 6 1 7 - 8 3 . 5 0 0 2 2 9 6 监测点 3 - 1 4 . 3 0 5 1 6 7 - 1 0 . 4 2 6 9 4 5 监 测 点 4 - 3 31 .0 4 9 8 4 - 2 9 4 .4 7 1 9 2 监测点 5 - 3 . 3 6 6 3 7 69 5 1 . 8 5 9 5 9 2 监测点 6 2 7 . 7 5 4 9 6 9 1 8 . 7 8 7 7 6 6 监测点 7 2 3 . 5 0 0 6 7 7 1 5 . 5 2 2 6 7 5 均值 - 9 6 . 6 0 7 5 8 2 7 8 . 9 5 4 3 3 8 从总体看 .大部分区域的声压特性及噪声水平 都符合一般规律 数据表明 .门外板连接的基座造 型更有利于降低车内噪声 .平均声压级的降低幅度 可达 1 . 7 5 d B. 尤其在后视镜正后方区域上 f 监测点 4 、 5的位置 ,降噪效果十分明显, 8 0 0 Hz以下频率 段可以降低 1 0 1 5 d B 。此外 ,基座上方 的监测点 1 在 6 0 0Hz 以下也可降低 1 O d B 监测点 1 、 4 、 5距离基座最近 ,所以受其造型影 响最大 . 降噪效果明显 . 符合一般规律。 6 结束语 分析表明.车外后视镜基座的门外板连接和侧 一 6 0 一 窗半连接两种不 同的造型. 对气动噪声有 明显影响, 其 中.车外后视镜门外板连接基座造型的气动噪声 效果明显好于侧窗半连接基座造型 本文的模拟方法适用于汽车开发阶段对不同汽 车造型的对 比性分析 , 求解速度较快 . 结果也 比较稳 定 , 符合一般规律 。 参考 文 献 1 葛苞 . 宫镇. 关 于桑塔纳轿车后视镜 产生的车外气流 辐射 声的研究. 汽车工程 , 1 9 9 5 , 1 7 6 3 7 9 ~ 3 8 3 . 2 杨 博. 汽车外部空气动力 噪声研究 [ 学位论 文】 . 长春 吉林 大学 . 2 0 0 8 . 3 陈枫 . 李启 良. 杨 志刚. 普通后视镜空气动力阻力数值分析. 计算机辅助工程 , 2 0 0 9 。 1 8 4 2 4 2 8 . 4 江帆 . 黄鹏. F l u e n t 高级应用与实例分析. 北 京 清华大学出 版社 . 2 0 0 8 1 3 ~ 1 4 . 5 汪怡平 , 谷正 气 , 李伟平 . 等. 汽车气动噪声数值计算分 析. 汽车工程 , 2 0 0 9 。 3 1 4 3 8 5 3 8 8 . 6 陈鑫. 基于 S E A方法的轿车车内噪声分析与控制研究 f 学 位论文] . 长春 吉林 大学 . 2 0 0 8 . 7 J e ff Ho we l l ,J o s h u a B a d e n F u l l e r , Ma r t i n P a s s mo r e .T h e E f f e c t o f F r e e S t r e a m T u r b u l e n c e o n A- p i l l a r Ai r fl o w. S AE p a p e r 2 0 0 9 - 0 1 - 0 0 0 3 . 8 Da v i d L e p l e y, S i v a p ala n S e n t h o o r a n, De n a He n d fi a n a , T o n y F r a z e r . Nu me ri c a l S i mu l a t i o n s a n d Me a s u r e me n t s o f Mi r r o r I n d u c e d Wi n d No i s e . S AE p a p e r 2 0 0 9 0 1 2 2 3 6 . 责任编辑帘青 修改稿收到 日期为 2 0 1 1 年 1月 1 2日 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m