汽車風(fēng)振噪聲特性分析及被動控制研究.pdf

1、隨著車輛實用速度的不斷提高以及機(jī)械噪聲（如發(fā)動機(jī)噪聲、傳動噪聲等）得到大量研究與較好的有效控制，風(fēng)振噪聲問題已日益凸顯。汽車風(fēng)振噪聲則是汽車在行駛過程中，天窗或者側(cè)窗開啟后，流動失穩(wěn)的剪切層直接與車內(nèi)空氣相互耦合作用而產(chǎn)生的一種氣動噪聲。風(fēng)振噪聲具有強(qiáng)度高而頻率較低的特征，會使車內(nèi)乘員產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的不適感，直接影響乘坐舒適性，而長時間的風(fēng)振噪聲會對乘員的身心產(chǎn)生影響進(jìn)而導(dǎo)致行駛安全性的隱患。因而為了提高汽車產(chǎn)品的品質(zhì)，在汽車設(shè)計階段對風(fēng)

2、振噪聲進(jìn)行高效的預(yù)估與分析是非常重要的。為此，本文開展了求解汽車風(fēng)振噪聲源的計算方法研究，分析風(fēng)振噪聲的特性與產(chǎn)生機(jī)理，探索風(fēng)振噪聲的被動控制措施，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。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.推導(dǎo)了一種新的湍流模型，即分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型（zonal SAS k-ε）。在低馬赫數(shù)流動條件下，尺度自適應(yīng)湍流模型激發(fā)大渦模擬行為的能力不足。針對此缺點，在 Rotta原始

3、輸運方程中添加速度二階導(dǎo)數(shù)，引進(jìn)k3/2/ε作為湍流積分長度尺度，在不同分區(qū)內(nèi)采用不同的cu和 C2ε，重新定義馮·卡門長度尺度，推導(dǎo)了一種分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型。結(jié)合基于特征變量的無反射邊界條件對計算域開放邊界進(jìn)行處理，構(gòu)建了一種求解汽車風(fēng)振噪聲源的計算方法。
　　以國際標(biāo)準(zhǔn)模型類后視鏡作為驗證物理模型，分別進(jìn)行了尺度自適應(yīng)湍流模擬和分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型模擬。與尺度自適應(yīng)湍流模型相比，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流

4、模型能夠準(zhǔn)確撲捉復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)和壁面壓力脈動特性，提高了數(shù)值模擬的精度。
　　采用分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型對一個簡易車廂的風(fēng)振噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過與試驗結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測低馬赫數(shù)下簡易車廂自激振蕩的頻率與幅值，進(jìn)一步驗證了數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。在保證計算精度的前提條件下，與大渦模擬相比，分區(qū)尺度自適應(yīng)模擬 k-ε湍流模型能夠減少對網(wǎng)格數(shù)的依賴，提高了計算效率。因而分區(qū)尺度自適應(yīng)

5、模擬 k-ε湍流模型能夠滿足汽車開發(fā)設(shè)計的高效需求。
　　2.簡易車廂的風(fēng)振噪聲的生成機(jī)理及特性研究。截至到目前，風(fēng)振噪聲的生成機(jī)理尚不是很清晰。為了揭示低馬赫數(shù)下簡易車廂風(fēng)振噪聲生成機(jī)理及其特性，進(jìn)行了不同來流速度下的數(shù)值模擬。隨著風(fēng)速的增加，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型準(zhǔn)確的撲捉了風(fēng)振從高模態(tài)向低模態(tài)演變的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明風(fēng)振噪聲是亥姆霍茲共振和聲反饋共同作用的結(jié)果，頻譜呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振或者諧振的特點。通過分隨著車輛實用速度的不

6、斷提高以及機(jī)械噪聲（如發(fā)動機(jī)噪聲、傳動噪聲等）得到大量研究與較好的有效控制，風(fēng)振噪聲問題已日益凸顯。汽車風(fēng)振噪聲則是汽車在行駛過程中，天窗或者側(cè)窗開啟后，流動失穩(wěn)的剪切層直接與車內(nèi)空氣相互耦合作用而產(chǎn)生的一種氣動噪聲。風(fēng)振噪聲具有強(qiáng)度高而頻率較低的特征，會使車內(nèi)乘員產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的不適感，直接影響乘坐舒適性，而長時間的風(fēng)振噪聲會對乘員的身心產(chǎn)生影響進(jìn)而導(dǎo)致行駛安全性的隱患。因而為了提高汽車產(chǎn)品的品質(zhì)，在汽車設(shè)計階段對風(fēng)振噪聲進(jìn)行高效的預(yù)估

7、與分析是非常重要的。為此，本文開展了求解汽車風(fēng)振噪聲源的計算方法研究，分析風(fēng)振噪聲的特性與產(chǎn)生機(jī)理，探索風(fēng)振噪聲的被動控制措施，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。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.推導(dǎo)了一種新的湍流模型，即分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型（zonal SAS k-ε）。在低馬赫數(shù)流動條件下，尺度自適應(yīng)湍流模型激發(fā)大渦模擬行為的能力不足。針對此缺點，在 Rotta原始輸運方程中添加速度二

8、階導(dǎo)數(shù)，引進(jìn)k3/2/ε作為湍流積分長度尺度，在不同分區(qū)內(nèi)采用不同的cu和 C2ε，重新定義馮·卡門長度尺度，推導(dǎo)了一種分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型。結(jié)合基于特征變量的無反射邊界條件對計算域開放邊界進(jìn)行處理，構(gòu)建了一種求解汽車風(fēng)振噪聲源的計算方法。
　　以國際標(biāo)準(zhǔn)模型類后視鏡作為驗證物理模型，分別進(jìn)行了尺度自適應(yīng)湍流模擬和分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型模擬。與尺度自適應(yīng)湍流模型相比，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型能夠準(zhǔn)確撲捉復(fù)雜

9、的流動結(jié)構(gòu)和壁面壓力脈動特性，提高了數(shù)值模擬的精度。
　　采用分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型對一個簡易車廂的風(fēng)振噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過與試驗結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測低馬赫數(shù)下簡易車廂自激振蕩的頻率與幅值，進(jìn)一步驗證了數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。在保證計算精度的前提條件下，與大渦模擬相比，分區(qū)尺度自適應(yīng)模擬 k-ε湍流模型能夠減少對網(wǎng)格數(shù)的依賴，提高了計算效率。因而分區(qū)尺度自適應(yīng)模擬 k-ε湍流模型

10、能夠滿足汽車開發(fā)設(shè)計的高效需求。
　　2.簡易車廂的風(fēng)振噪聲的生成機(jī)理及特性研究。截至到目前，風(fēng)振噪聲的生成機(jī)理尚不是很清晰。為了揭示低馬赫數(shù)下簡易車廂風(fēng)振噪聲生成機(jī)理及其特性，進(jìn)行了不同來流速度下的數(shù)值模擬。隨著風(fēng)速的增加，分區(qū)尺度自適應(yīng) k-ε湍流模型準(zhǔn)確的撲捉了風(fēng)振從高模態(tài)向低模態(tài)演變的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明風(fēng)振噪聲是亥姆霍茲共振和聲反饋共同作用的結(jié)果，頻譜呈現(xiàn)準(zhǔn)諧振或者諧振的特點。通過分析不同渦脫落模態(tài)引起廂體內(nèi)的波動壓力，揭

11、示了剪切層引起的風(fēng)振噪聲的“鎖定”特性。當(dāng)剪切層失穩(wěn)的單一渦模態(tài)的頻率“鎖定”于廂體的固有頻率時，此時風(fēng)振噪聲最強(qiáng)。分析廂體內(nèi)部的擾動和廂體開口渦的遷移速度，深刻的揭示了簡易車廂風(fēng)振噪聲的特性，為分析汽車天窗和側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性墊定了基礎(chǔ)。
　　3.汽車天窗風(fēng)振噪聲與剪切層失穩(wěn)特性分析。天窗開口剪切層的失穩(wěn)特性對天窗風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生有著非常重要的影響。在一定的來流風(fēng)速范圍內(nèi)，對某款轎車天窗風(fēng)振噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，天窗風(fēng)振噪聲

12、只在特定頻率范圍內(nèi)存在，剪切層最多呈現(xiàn)2個渦脫落模態(tài)，其中單渦模態(tài)引起的風(fēng)振噪聲較強(qiáng)。汽車天窗風(fēng)振噪聲是聲反饋和亥姆霍茲共振共同作用的結(jié)果，而亥姆霍茲共振起主導(dǎo)作用，驗證了基于簡易廂體的風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的機(jī)理。對于最強(qiáng)的風(fēng)振噪聲，流向上和橫向上速度波動的均方根值最大，表明亥姆霍茲共振加劇了剪切層的擾動，產(chǎn)生的風(fēng)振能量最高。采用線性無粘失穩(wěn)理論分析了天窗開口剪切流的失穩(wěn)和增長，剪切層流向上平均速度的分布規(guī)律滿足反雙曲正切函數(shù)。結(jié)合剪切層初始動

13、量厚度和無量綱流向波動波數(shù)，通過反雙曲正切平均速度型來計算速度波動的增益因子，當(dāng)速度波動增益因子超過2.5時，才會引起明顯的風(fēng)振噪聲，深入地揭示了天窗風(fēng)振特性。
　　4.汽車天窗開槽擾流器的降噪機(jī)理及被動控制。構(gòu)建了開槽擾流器和平直擾流器風(fēng)洞試驗平臺，通過風(fēng)洞試驗來調(diào)查擾流器有無開槽對其后方壁面壓力場的影響。試驗結(jié)果表明，相比于平直擾流器，擾流器的開槽能夠?qū)⒘鲃釉俑街c提前，降低壁面壓力場的相干性，而且在導(dǎo)致風(fēng)振的低頻區(qū)域引起展向

14、相位滯后分布的單調(diào)遞增。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)現(xiàn)代優(yōu)化算法對開槽擾流器造型進(jìn)行了優(yōu)化。將擾流器安裝角度、開槽寬度及開槽深度定義成設(shè)計變量，通過設(shè)計實驗選取20個樣本點，采用 kriging模型建立近似模型，并利用多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得了理想的擾流器參數(shù)。相對于初始擾流器，優(yōu)化后的擾流器降低了駕駛員右耳處峰值聲壓級25.1 dB，相比降低了21.6%，降噪效果非常明顯。天窗開槽擾流器降噪機(jī)理的揭示以及擾流器的優(yōu)化為天窗擾流器設(shè)計提供了參

15、考。
　　5.汽車側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性分析。對某款轎車進(jìn)行了實車道路試驗，發(fā)現(xiàn)不同側(cè)窗開啟情況下汽車側(cè)窗風(fēng)振噪聲特性存在差異：單一后窗開啟或者兩后窗同時開啟情況下風(fēng)振噪聲具有多諧振蕩的特性；單一前窗開啟或者有前窗參與組合開啟的情況下風(fēng)振噪聲僅有單一的風(fēng)振峰值。兩后窗同時開啟引起的風(fēng)振噪聲最強(qiáng)。通過 CFD數(shù)值模擬，從流場能量耗散的方式以及前后窗造型等角度出發(fā)，闡述了側(cè)窗風(fēng)振噪聲的生成機(jī)理及特性的差異，為側(cè)窗風(fēng)振噪聲的控制奠定了基礎(chǔ)。<

16、br>　　6.汽車側(cè)窗風(fēng)振噪聲的被動控制。通過 CFD數(shù)值模擬的方式評估了幾種降低前側(cè)窗風(fēng)振噪聲的措施，重點分析了前側(cè)窗雨擋對風(fēng)振噪聲的抑制效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前雨擋能夠改變從 A柱脫落渦的軌跡，減少了駕駛員耳旁的脈動壓力。在此基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代優(yōu)化算法對雨擋造型進(jìn)行優(yōu)化，獲得降低風(fēng)振噪聲的最優(yōu)前雨擋造型；針對更為嚴(yán)重的后側(cè)窗風(fēng)振噪聲問題，通過 CFD數(shù)值模擬的方式探討了三種措施降低風(fēng)振噪聲的效果，最后通過道路試驗的方式發(fā)現(xiàn)開槽擾流片能夠消除后側(cè)