0 引言

當(dāng)行駛中的汽車(chē)在天窗或側(cè)窗打開(kāi)時(shí)，車(chē)內(nèi)通常產(chǎn)生強(qiáng)烈的轟鳴聲，這種噪聲被稱為風(fēng)振噪聲。天窗打開(kāi)的汽車(chē)在氣流中運(yùn)動(dòng)，車(chē)身表面存在一層不穩(wěn)定的氣流剪切層，剪切層遇到天窗前部邊緣處，車(chē)身表面的漩渦脫離車(chē)身并隨著剪切層氣流向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)漩渦碰到天窗的后邊緣時(shí)，漩渦破裂并產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的壓力波。傳到車(chē)外的一部分壓力波到達(dá)開(kāi)口的前緣，將再次引發(fā)渦旋的脫落。這個(gè)過(guò)程每秒鐘會(huì)重復(fù)很多次，并且引起剪切層產(chǎn)生一個(gè)特定的振動(dòng)頻率，如果這個(gè)頻率與車(chē)廂的固有頻率相同，將會(huì)發(fā)生共振，這種類型的共振稱為亥姆霍茲共鳴。

 

本文針對(duì)某乘用車(chē)存在的天窗風(fēng)振噪聲問(wèn)題，利用 CFD 方法對(duì)其進(jìn)行仿真分析，并與道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析的有效性。通過(guò)對(duì)比天窗擾流板不同高度和傾角度的天窗風(fēng)振噪聲，總結(jié)了擾流板高度和傾角度對(duì)天窗風(fēng)振噪聲的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了導(dǎo)流板的改進(jìn)建議。

 

1 汽車(chē)風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

汽車(chē)在低速行駛時(shí)，開(kāi)啟天窗的過(guò)程伴隨著風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生。開(kāi)窗的車(chē)身聲腔可以看成是一個(gè)赫爾姆茲諧振腔,則赫爾姆茲諧振腔的頻率可以由公式（1）表示。

 

 

 

其中 f 為諧振腔的頻率，c 為風(fēng)速，A 為諧振腔的開(kāi)口面積，V 為諧振腔的容積，l 為諧振腔的開(kāi)口高度。可見(jiàn)腔體的共振頻率取決于車(chē)速、開(kāi)口大小及腔體的空間大小。

 

2 初始模型天窗風(fēng)振分析

2.1有限元模型建立

計(jì)算模型為某 SUV 乘用車(chē)，把外飾模型（如圖 1（a）所示）和內(nèi)飾模型（如圖 1（b）所示）按 1：1 的比例導(dǎo)入到 HyperMesh 中建立三維模型，對(duì)車(chē)身模型進(jìn)行處理，分析模型基本包括所有對(duì)天窗風(fēng)振有影響的部件。

 

 

圖 1 計(jì)算模型

 

在模型外部建立一個(gè)長(zhǎng)方體計(jì)算域，模擬汽車(chē)周?chē)目諝饬鲃?dòng)，如圖 2 所示。計(jì)算域長(zhǎng)度為9 倍車(chē)長(zhǎng)；寬度為 6 倍車(chē)寬；高度為 4 倍車(chē)高。

 

 

圖 2 計(jì)算域

 

對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行檢查和修復(fù)后生成體網(wǎng)格，對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，可以有效提高計(jì)算的精度，尤其是天窗區(qū)域等容易引起氣流分離的部件，網(wǎng)格加密如圖 3 所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)為駕駛員右耳。

 

 

圖 3 網(wǎng)格加密側(cè)視圖

 

2.2 邊界條件設(shè)定

計(jì)算采用顯示 PowerFLOW 全瞬態(tài)分析方法，設(shè)定入口速度 60km/h；出口為壓力出口邊界，出口壓力為 0；地面為滑移壁面，速度為 60km/h；汽車(chē)表面為壁面邊界，壁面為絕熱非滑移壁面。

 

2.3仿真結(jié)果及分析

觀察整車(chē)天窗風(fēng)振噪聲結(jié)果聲壓級(jí)曲線圖（圖 4），由圖可知，初始模型天窗共振頻率在19.98Hz，峰值在 100 dB。

 

 

圖 4 聲壓級(jí)曲線圖

 

觀察天窗區(qū)域壓力云圖（圖 5），氣流經(jīng)過(guò)天窗擾流板上緣后，形成強(qiáng)大渦流，直接打在天窗后緣，產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的壓力波，從而形成共振噪聲。

 

從云圖上可知，天窗擾流板對(duì)氣流的導(dǎo)流作用效果非常明顯，為了改善天窗風(fēng)振噪聲，合理地設(shè)計(jì)擾流板可以將氣流向后導(dǎo)流，避免氣流直接打在天窗后緣。直接影響擾流板導(dǎo)流效果的關(guān)鍵因素是擾流板的垂直高度和傾角度，因此后期進(jìn)行參數(shù)化研究時(shí)主要從這兩個(gè)方面選取參數(shù)。

 

 

圖 5 天窗區(qū)域壓力云圖

 

2.4仿真與試驗(yàn)對(duì)比

觀察仿真與道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖（圖 6），仿真與測(cè)試結(jié)果高度一致，峰值相差在 6dB(A)以內(nèi)，且峰值對(duì)應(yīng)的共振頻率一致。誤差在控制范圍以內(nèi)，說(shuō)明本次數(shù)值仿真分析方法的有效性和準(zhǔn)確性。

 

 

圖 6 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

 

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)分析

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)選取

擾流板的垂直高度和傾角度是直接影響擾流板導(dǎo)流效果的關(guān)鍵因素，因此選取擾流板的高度和傾角度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，參數(shù)示意如圖 7。

 

 

圖 7 參數(shù)示意圖

 

由于整車(chē)造型要求及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)均需要滿足一定的設(shè)計(jì)范圍要求，擾流板高度參數(shù)選取見(jiàn)表 1，擾流板傾角度參數(shù)選取見(jiàn)表 2。

 

表 1 擾流板高度參數(shù)選取

 

 

表 2 擾流板傾角度參數(shù)選取

 

 

3.2設(shè)計(jì)樣本計(jì)算結(jié)果及分析

在擾流板傾角度保持不變的情況下，對(duì)擾流板高度進(jìn)行參數(shù)化分析，對(duì)擾流板高度分別為45mm、50mm、55mm、60mm、65mm 時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真分析結(jié)果如圖 8 所示，由結(jié)果可知，擾流板的垂直高度越大，越有利于天窗風(fēng)振噪聲的抑制。

 

 

圖 8 仿真優(yōu)化與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

 

在擾流板垂直高度保持不變的情況下，對(duì)擾流板傾角度進(jìn)行參數(shù)化分析，對(duì)擾流板傾角度分別為 15°、25°、35°、45°、55°時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真分析結(jié)果如圖 9 所示，由結(jié)果可知，擾流板的傾角度小于 35°時(shí)，隨著角度的增大，天窗風(fēng)振噪聲越大；擾流板的傾角度大于 35°時(shí)，隨著角度的增大，天窗風(fēng)振噪聲越小。

 

 

圖 9 仿真優(yōu)化與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

 

4 結(jié)論

通過(guò)整車(chē)三維建模對(duì)某乘用車(chē)型進(jìn)行了天窗風(fēng)振噪聲數(shù)值仿真分析，全面評(píng)價(jià)了本車(chē)的風(fēng)振噪聲水平，找出潛在的優(yōu)化改進(jìn)區(qū)域，并對(duì)影響天窗風(fēng)振噪聲的關(guān)鍵因素進(jìn)行參數(shù)化研究，為后續(xù)車(chē)型的天窗擾流板設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

 

(1)通過(guò)對(duì)初始模型進(jìn)行天窗風(fēng)振噪聲仿真分析，發(fā)現(xiàn)影響天窗風(fēng)振噪聲的主要因素是擾流板的垂直高度和傾角度。

(2)通過(guò)對(duì)比數(shù)值仿真分析與道路測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿真與測(cè)試結(jié)果高度一致，可認(rèn)為本次仿真分析方法的有效性和準(zhǔn)確性。

(3)對(duì)天窗擾流板的垂直高度進(jìn)行參數(shù)化研究，發(fā)現(xiàn)擾流板垂直高度越大，對(duì)改善天窗風(fēng)振噪聲效果越有利。

(4) 對(duì)天窗擾流板的傾角度進(jìn)行參數(shù)化研究，發(fā)現(xiàn)擾流板傾角度為 35°時(shí)，天窗風(fēng)振噪聲最大。

 

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