万方数据
空气动力学学报
第３０卷
ｊ ｔ振
间，外部计算域的大小由计算模型所决定。一般用于 车辆外流场数值模拟的计算域为长方体。为使模拟 环境更接近汽车行驶的真实环境，计算域的宽度为计 算模型的７倍宽，高度为５倍高，长度为１１倍长（前 面３个车长，后面７个车长），如图４所示。压力脉动 接收点位于驾驶员耳旁，坐标分别为（１．６２５，一０．４８３，
３．１．２
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侧冒打升位置／（ｏｏ）
图１１
左前窗不同开启位置时的脉动压力级
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ
ｏｎ
Ｆｉｇ．１ ｌ
ｐｅａｋ
左后窗开启
研究表明“后窗也是风振的主要来源，本文对后 窗开启时汽车的外部流场进行了仿真分析。获得了 驾驶员耳旁的脉动压力频谱图（图１２），其风振频率 与参考车型的道路试验相比仪相差ｌＨｚ．幅值相差约 ３ｄＢ。文章还对后窗玻璃开启的不同位置进行了分
２．武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉４３００７０；
３．武汉军械士官学校光电实验室，湖北武汉４３００７５Ｊ
摘要：在对参考车型进行道路试验的基础上，应用ＣＦＤ（计算流体力学）技术对豪华轿车的侧窗风振特性进行了 仿真分析，分析结果表明后窗的风振比前窗剧烈得多；考查了频率及其强度与车速、车内体积。侧窗开启位置，侧窗 开启数目的关系。根据风振产生灼机理。采用两种措施对后窗的风振ｊ莲行了控制．风振压力脉动最大痒低了９ｄＢ。
第３０卷第３期
２０】２年６月
空气劝力学学报
ＡＣＴＡ
ＶｏＬ ３０．Ｎｏ．３ ｊｕｎ．。２０１２
ＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＡ ＳＩＮｌＣＡ
文章编号：０２５８—１８２５（２０１２】０３～０２７７—０７
汽车侧窗风振特性研究及控制
汪怡平ｈ２，谷正气１，扬
雪３
（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙４１００８２
力脉动，即风振。
强度与车速、车内体积、侧窗开启位置、侧窗开启数目 的关系。最后根据风振产生的机理，尝试了两种控制 措施，取得了较好的结果。
１
参考车型的道路试验
本文所开展的工作处于没有样车的开发前期。
汽车风振主要来源于天窗和侧窗，自２０世纪９０ 年代起，人们就开始关注天窗的风振，并取得了一系 列的研究成果【ｌ。Ｊ。随着研兖的深入，人口］开始对侧 窗的风振进行大量的研究。２００２年Ｓｏｖａｎｉ和Ｈｅｎ— ｄｒｉａｎａ［－１首次开展了乘用车侧窗风振特性的计算分 析，获得了与风洞试验非常吻合的结果。２００４年Ａｎ 等人¨１对ＳＵＶ的侧窗风振进行了仿真分析，分析了 车速、偏角、传感器的位置、车内体积以及开启不问侧 窗对风振特性的影响。２００５年Ａｎ等人【７Ｊ对ＳＵＶ 的后侧窗的风振特性进行了仿真分析，并采取了若干 措施来降低后窗的风振。 高档豪华轿车在车市中占有举足轻重的地位，是
空
气动
力学学报
第３０卷
窗附近的几个截面图进行分析。如图９所示．在图 中，截取左前窗打开的区域并采用“填充”格式显示压 力云图。同时，建立了另一个穿过后视镜平行截面。 且采用“透明”格式显示压力云图。“填充”格式压力 云图主要是显示Ａ柱（如图２所示）后剪切层的发展 情况，而“透明”格式压力云图主要显示的是后视镜的 尾涡。截面上交替出现的高低压正好说明了Ａ柱上 剪切层涡的脱落。剪切层撞击到Ｂ柱（如图２所示） 上．产生压力脉动并传人到车内。
内存）上进行，一个工况计算时间约４０ｈ。
２．７后处理
＿＿。：ｊ三÷‘三秽二Ｔｉ＿－２－二ｊ●二
图７左前窗开启时截面流线图
Ｆｉｇ．７ Ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ
ｗｉｔｈ
ｃｒｏｓｓ
整个后处理过程如图６所示。计算过程中记录 下驾驶员耳旁的压力脉动。从图中可以看出，在约 ｏ．６ｓ以前，流场还没有达到稳定，记录的数据波动非 常大，且没有规律。ｏ．６ｓ以后压力呈周期性变化且 比较稳定，截取１Ｓ～２ｓ的数据做ＦＦＴ变换，得到压 力频谱图。
ｏｎ
ｖｅｒｔｉｃａｌ
ｃｕｔ
ｐｌａｎｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｏｐｅｎ ｆｒｏｎｔ ｗｉｎｄｏｗ
曲 乏 《 ．Ｒ 幽 需
在图１０中“填充”格式压力云图显示了通过后视
镜与驾驶员耳朵的水平横截面的压力云图，云图可以 清晰地看出后视镜的尾涡。“透明”格式的压力云图 显示的则是只通过Ａ柱的横截面的压力云图．从图 中可以看出人柱后涡流的产生以及发展。同时，高 低压的交替出现恰好说明Ａ柱后的剪切流以及后视 镜后的尾涡，而且在开１１的右Ｆ角处，Ａ柱后涡流与 后视镜的尾涡相遇并相瓦作用。通过对云图的分析 町以推测Ａ柱涡的脱落以及后视镜产牛的尾涡在前 侧窗开启时的风振中扮演着重要的角色。
关键词：计算流体力学；自激振荡；风振；侧窗 中圈分类号：Ｖ２１１．３ 文献标识码：Ａ
０引
言
反映一个国家汽车发展水平的重要标志。豪华轿车 在追求卓越的动力性和安全性以外，更注重乘坐的舒 适性。所以，对于豪华轿车来说，风振也是一个非常 关键的删题。本文利用ＣＦＩ）技术分析了某豪华轿车
的侧窗胍振压力脉动的频率与强度，考查了频率及其
件如下。
．１００ ．１５０ 日－２００ 宅－２５０ 餐一３００ 出．３５０ ．４００ ４５０ １２０
兽ｌｌｏ
臻１００
Ｒ
９０
黑８０
蕾７０ ６０
计算域入口速度：Ｍ一３０ｍ／ｓ，可一叫一０。 计算域上壁面和侧壁面为自由滑移壁面。 车身及内饰为无滑移壁面。 实际行驶车时，地面是不存在附面层的。为消除 计算中产生的地面附面层，地面采用移动壁面边界条 件［８］，且移动速度与来流速度相同。 ２．６计算 进行瞬态求解之前，首先利用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－￡进 行稳态求解，迭代大约５００次，然后把稳态结果作为 瞬态求解的初始值，由道路试验可知风振的共振频率 约为２０Ｈｚ，即涡的脱落周期为０．０５ｓ。本文进行瞬 态求解的时间步长为０．００２ｓ，即一个周期内有２５个 采样点，这足够捕捉风振的第一阶谐振频率。计算总 时间为２ｓ，由于流场有一个稳定的过程，在１Ｓ时才开 始采样。每时间步２０次迭代。计算采用商用软件 Ｆｌｕｅｎｔ完成，采用二阶离散格式和有界中心差分格 式分别对时间和空间进行离散。整个计算在ＩＢＭ
颠翠Ａｈ
∞
罢 巅 出 忆
发动机
０．７５３）、（１．６２５。０．３０６，０．７５３）．单位：ｍ。
图ｌ
Ｆｉｇ．１
驾驶员脑后的声压频谱图
Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
ｒｅａｒ
ｏｆ ｄｒｉｖｅｒ＇ｓ ｈｅａｄ
２数值计算
２．１基本方程和湍流模型 风振是由于涡的周期性脱落产生的。因此必须 对流场的瞬态特性进行分析。本文选用ＬＥＳ方法对 汽车瞬态流场进行仿真分析。 湍流计算的基本控制方程为过滤后的三维非定 常可压缩粘性Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程，其控制方程如下：
随着车速的不断提高！以及机械噪声、轮胎一路面 噪声的降低，风噪声对整车噪声的影响愈来愈突出，
成为影响消费者选购汽车的一项重要指标，而风振
则是风噪声的重要组成部分。从空气动力学的角度 来看．自由剪切层结构如射流．混合层、尾迹涡流经开 口处（如大窗、侧窗）的时候。会产生复杂的湍流涡结 构，而这些涡结构则会产生频率很低而强度很高的压
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，＿．．＿ｌ＿口
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析。分析结果表明后窗开启５（）％（图１ ３所示），风振 最强烈，这与开前窗刚好相反。通过对比前后窗开启 时的脉动Ｊ玉力幅值可以发现后窗的风振要比前窗强 烈许多，所以驾驶汽车时，建议尽可能少开后窗。
图９左前窗开启时竖直横截面上的压力云图
Ｆｉｇ．９ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｃｏｎｔｏｕｒｓ
ＤＡＳ便携式数据采集前端。使用丹麦ＧＲＡＳ公司的 预极化传声器和前覆放大器。测试车速为８５ｋｍ．／ｈ。 如图ｌ所示为驾驶员脑后的声压频谱图。由图可知 风振发生在１７Ｈｚ附近，而且由风振引起的噪声值比
发动机噪声高出近３０ｄＢ。
＊收稿日期：２０１０一“一０２；
修订日期：２０１ｌ＿０７—０６
基金项目：国家商技术研究发展计划（８６３１（２００７ＡＡ０４２１２２）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（２０１２一ＩＶ一０６８）；教育部长江学者与 创新团队发展计划（５３１１ ０５０５００３７｝；湖南省科技计划重太项Ｈ（０６ＦＪ２００１） 作毒簦介：扛性ｑ－（ｊ ９８４一）．男，淑南衡阳人．游雉，簿上，主要讲究方弼为汽ｔ气动嶂声，Ｅ—ｍａｉｌ二ｙｉｐｉｎｇｗａｎ９８４￥２４（蹲ｙａｈｏｏｏ ｃｏｒｎ．ｃｎ
连续方程
图２车身外形图
Ｆｉｇ．２ Ｃａｒ ｂｏｄｙ ｓｈａｐｅ
窖＋孥一０
ｄｆ ｄ工．
（１）
运动方程
图３内饰模型
Ｆｉｇ．３ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｍｏｄｅｌ
丢（伊，）＋砉（１Ｄ酊町）—一瓦ａｐ］一瓦３（卢蓦）一碧
（２）
式（１）、式（２）中，ＪＤ为流体密度；面和酊为过滤后的速
度分量；石为过滤后的压强；卢为湍流粘性系数；铂为
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｆｒｏｎｔ ｗｉｎｄｏｗ ｏｐｅｎ
１２０］
——左耳
右耳
∞１１０１
勰一、“
患ｓｏｒ
基７０ｊ
０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００
３计算结果分析
３．１不同侧窗开启
频率／Ｈｚ 图８左前窗开启时驾驶员耳旁的脉动压力级
Ｆｉｇ．８ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｅｖｅｌ ｂｅｓｉｄｅ
为使控制方程封闭，采用涡旋粘性亚格子模型：
２．４网格划分
网格质量的好坏直接影响到计算结果的精度以
ｑ一÷ｍ艿。一一２卢，Ｓ。
（３）
及所耗用的ＣＰＵ时间。由于汽车外形复杂，考虑到 四面体网格良好的贴体性，计算选用四面体网格。整 个域内网格分为三层，靠近车体的网格较密，远离车 体的较稀，并对参数变化梯度大的敏感区进行局部加 密（如图５所示）。