0 前言

    汽車是一個包含了很多復雜總成的動力機械，根據噪聲源的不同，可以分為發動機噪聲、輪胎噪聲、傳動系統噪聲以及氣動噪聲，各種噪聲具有不同的頻率峰值，組合在一起形成復雜的噪聲源。相關研究表明，在汽車剛剛啟動以及車速較低的情況下，發動機、傳動系等動力系統會成為主要的噪聲源；當車速接近lOOkm/h的情況下，輪胎噪聲逐漸凸顯出來，成為主要噪聲源；當車速達到100km/h后繼續加速，這時氣動噪聲會急劇增大，超過動力系統噪聲和輪胎噪聲，成為主要噪聲源。

    如圖1為汽車表面氣動噪聲源分布圖，從圖中可以看出氣動噪聲源主要分布在發動機罩頂部、車輪輪罩部位、A柱以及側窗后視鏡區域。由于后視鏡側窗區域氣動噪聲更容易直接傳入車身內部而影響駕駛員的駕駛舒適度，因此有必要對汽車后視鏡氣動噪聲問題進行研究。本文將對帶后視鏡某轎車模型勻速及加速行駛的工況進行數值模擬，研究后視鏡對車外脈動流場及側窗區域氣動噪聲的影響。

圖1 汽車表面噪聲源分布

1 流場計算方案及流動控制方程

    1.1 流場計算方案

    本文對兩種行駛工況進行計算：勻速和加速行駛。其中勻速行駛車速為90km/h、121.8km/h；加速行駛初速度為120km/h，加速度為5m/S2，加速時間為0.1s，加速后的速度為121.8km/h。由于計算時間限制，僅計算了0.1s。

    為縮短計算時間，對勻速工況采用如下三階段流場計算方案：第一階段（定常流場階段），采用Realizablek-ε湍流模型進行定常計算，使計算域內流動情況接近于汽車平穩行駛情況；第二階段（非定常流動階段），當第一階段計算接近收斂時，用同樣湍流模型進行非定常流場計算；第三階段（脈動流場階段），采用LES大渦模擬湍流模型對勻速行駛的脈動流場進行計算，以便得到接收點處脈動壓力，進行噪聲分析。

    對于加速行駛工況，在初速度120km/h勻速行駛第一和第二階段計算結果基礎上，采用LES大渦模擬湍流模型對加速行駛脈動流場進行計算。加速行駛過程設定一個變進口速度，其他參數均與勻速行駛第三階段相同。

    1.2 流動控制方程

    對空氣來說，當馬赫數Ma<0.3時，車身周圍外部流動可按不可壓外部流動處理，汽車在行駛過程中的外部流場可視為等溫、非定常不可壓縮流動，且空氣介質的物性參數為常數。非定常不可壓N-S方程組為：

    連續方程：

    動量方程：

    式中V為速度矢量，p為壓力，ρ為氣流密度，μ為動力粘性系數

2 流場計算模型

    2.1 幾何模型及計算區域

    由于進行噪聲計算時對計算機硬件的要求較高，所以在不影響計算精度的前提下，本文對采用的某汽車幾何模型進行了相應簡化處理，對車身部分省略了門把手、雨刮器、前格柵等，對底盤部分采用了平滑處理，并用簡化的車輪代替了真實的輪胎結構，基本保證了模型車與實車的一致性。經簡化后安裝有后視鏡的某汽車幾何模型如圖2所示。

圖2 帶后視鏡某轎車模型

    數值模擬的一個比較重要過程就是將無限信息系統變為有限信息系統，即離散化過程。而在實際的操作中，實現空間的離散化就是網格的生成，因此就要定義一個生成網格的空間，這就是計算區域。當汽車在道路上行駛時，除了與地面接觸以為，并沒有所謂的限制空間，因此為了使計算結果更接近于汽車行駛的真實環境，對計算區域的基本要求是：計算區域的邊界不能對流場形成干涉，也就是說受到車輛影響的流場完全包括在計算區域內。本文選定的計算區域為長方體，此外，由于車身結構近似于對稱結構，本文使用半車身模型對外流場進行模擬計算。如圖3為本文所采用計算區域示意圖，并根據相關文獻設置計算區域的大小為：8倍車長，5倍車寬，5倍車高。其中流場入口距離汽車前緣2倍車長，壓力出口距離汽車后緣5倍車長。由于后視鏡的中截面一般都和人耳在同一平面上，所以采集的數據點主要集中的中截面附近，選取側窗表面上的4個點作為監測點，沿x向均勻分布，間距為0.1m，如圖4所示。

圖3 計算區域示意圖

圖4 監測點位置

    2.2 網格劃分及邊界條件設置

    由于模擬中重點關注的是后視鏡區域產生的噪聲，為了保證計算流場有必要的分辨率和準確度，計算節點總數必須達到一相當大的數量，因此需對后視鏡表面網格進行局部加密，如圖5為后視鏡表面網格；同時為了保證網格質量，側窗表面、駕駛室前風窗、頂部和后部采用漸變式網格劃分；同時為了有效模擬汽車外表面的流動特性，需要在車身外表面生成附面層，為了準確模擬車身外表面的附面層，在車身外表面拉伸出的附面層網格必須滿足壁面函數Y+<1的需求，如圖6為本文模型車壁面Y+值分布圖，由圖可知模型車的附面層網格滿足壁面函數Y+<1。

圖5 后視鏡表面網格

圖6 模型車壁面Y+值

    本次模擬的邊界條件設置如下：

    ①速度入口（Velocity Inlet）：位于汽車前緣2倍車長處，勻速行駛時的速度大小為90km/h、121.8km/h，以及加速行駛時的速度大小需通過自定義場函數來實現，根據計算方案定義加速行駛時入口速度大小為120+18*Tim/3.6。

    ②壓力出口(Pressure Outlet)：位于距離汽車后緣5倍車長處，出口壓力值為標準大氣壓，靜壓為零。

    ③計算區域車身對稱面設置為對稱邊界(Symmetry)；計算域側面、頂面設置為滑移壁面邊界(wall，slip)；車身表面及地面設置為非滑移壁面邊界(wall，no slip)。

3 勻速行駛計算結果分析

    由于用大渦模擬計算脈動流場，所以時間步長大小是決定模擬結果的一個重要因素。經驗表明，當頻率超過5000Hz時，表面脈動壓力和遠場噪聲能量均己相對較小，可取計算值的最高頻率為5000Hz，時間步長*<1/f =1/5000=0.0002s，為滿足這一要求，根據采樣定律，采樣頻率就大于或等于0.0001s，每一步記錄一下接收點壓力，共計算1000個時間步，計算總時間為0.1s。

    3.1 接收點處流速

    圖7和表1分別為兩種車速下第三階段結束時車身表面速度分布圖及測點處的流速大小。以point1為例，兩種速度下接收點的流速，90km/h速度下為10.5m/s，121.8km/h速度下為14.6m/s，增加了39%。由圖表中各測點的仿真值可知車速越高，同一接收點處流速越大。

圖7 車身表面速度分布圖

表1 兩車速下各監測點流速（m/s）

    3.2 接收點處壓力

    圖8及表2分別為兩種車速下第三階段結束時車身表面壓力分布圖及測點處的壓力大小。同樣以point1為例，在接收點處，90km/h速度下壓力為-125.3Pa，121.8km/h速度下壓力為-240.5Pa，下降了115.2Pa。由圖表中各測點的仿真值可知車速越高，同一接收點處壓力越小。

圖8 車身表面壓力分布圖

表2 兩車速下各監測點壓力值(Pa)

    3.3 氣動噪聲分析

    圖9為兩種車速下監測點pointl處聲壓級與頻率關系曲線。隨著頻率增加，90km/h速度下接收點處聲壓級約從123dB開始下降，最后約在40dB上下波動；121.8km/h速度下接收點處聲壓級約從124dB開始下降，基本上在46dB上下波動，增大了6dB。由此可見，車速越高，整個頻域內脈動壓力級整體上越大。

    現實生活中，人耳并不是接受到單一頻率下的純音，而是噪聲源發出的各個頻率下聲音的綜合作用，因此，需要對各個測點處的總脈動壓力級進行分析才能有效的說明問題。在得到脈動壓力頻譜分析的基礎上，將各個頻率的脈動壓力級迭加起來可得到總的脈動壓力級，如表3所示為各測點的總脈動壓力級。從表中可以看出，車速越高，同一測點處總脈動壓力級越大，即氣動噪聲越大。

圖9 point1處聲壓級頻域圖

表3 兩車速下各監測點總脈動壓力級(dB)

4 加速行駛計算結果分析

    4.1 接收點處流速

    圖10和表4分別為加速0.1s后車身及后視鏡表面速度分布圖及測點處的流速大小。以point1為例，加速0.1s后，空氣流速約為15.4m/s，與121.8km/h勻速情況相比，流速大了0.8m/s。可見，同一速度下，加速運動比勻速運動接收點處的流速大。

圖10 加速0.1s后車身表面速度分布圖

表4 加速0.1s后各監測點流速(m/s)

    4.2 接收點處壓力

    圖11和表5分別為加速0.1s后車身及后視鏡表面壓力分布圖及測點處的壓力大小。以pointl為例，加速0.1s后，接收點壓力約為-247.4Pa，與121.8km/h勻速情況相比，壓力小了6.9Pa。可知，同一速度下，加速運動比勻速運動接收點處的壓力小。

圖11 加速0.1s后車身表面壓力分布圖

表5 加速0.1s后各監測點壓力(Pa)

    4.3 氣動噪聲分析

    圖12為汽車加速過程中pointl處聲壓級頻域圖，在加速過程中，脈動聲壓級同樣隨頻率增加先減小，最后在某一值附近上下波動。脈動聲壓級隨頻率的增加從128dB開始下降，并在2000Hz以上變化緩慢，基本上在50dB左右波動，比121.8km/h勻速行駛大了約4dB，同時加速時該接收點處總聲壓級為135.2dB，比勻速工況總聲壓級高3.3dB。可知，在同一行駛速度下，加速行駛比勻速行駛在整個頻域內脈動聲壓級整體上要大，總聲壓級也大。

圖12 point1處聲壓級頻域圖

表6 加速0.1s后各監測點總脈動壓力級(dB)

5 結論

    勻速行駛車速越大，接收點處流速越大，壓力越小，脈動壓力的脈動幅度越大，整個頻域內脈動聲壓級整體越大，總聲壓級也越大；在同一行駛速度下，加速行駛狀態比勻速行駛狀態在接收點處的流速要大，壓力要小，整個頻域內脈動聲壓級整體上要大，總聲壓級也要大。

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本文標題：行駛狀態對汽車后視鏡氣動噪聲影響的研究

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