轿车外流场及气动噪声的建模与仿真
作者：熊可嘉,杨坤,王毅刚,李启良
来源：《汽车科技》2011年第05期
摘要：汽车高速运行时会产生空气动力学噪声，这对汽车乘坐的舒适性、车内乘客的相互交流都会有十分不利的影响。

通过CFD手段，采用大涡模拟方法和Lighthill理论，对汽车外流场进行了计算和声学分析。

结果表明，CFD不仅可以提供该车气动噪声特性，而且指出前挡风玻璃与车顶连接处、后视镜的造型、车门把手存在优化可能，这为进一步降低该车的风噪提供方向性指导。

关键词：轿车;风噪;大涡模拟;声学分析
中图分类号：U464.134.4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）05-0042-04
External Aero Flow and Wind Noise Calculation on a Passenger Car with CFD
XIONG Ke-jia1，YANG Kun1，WANG Yi-gang2，LI Qi-liang2
(1.SAIC Motor Technical center，Shanghai201804，China；
2.Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji University，Shanghai 201804，China)
Abstract:As an automobile travels down the road，airflow interacts with the surface of the vehicle body to generate aerodynamic noise. Wind noise can be quite loud，which can annoy passengers and make it difficult to converse with other passengers. With LES and Lighthill theory，this paper calculates the wind noise of a vehicle. The results reveal that the noise level can be further reduced by optimizing the junction of wind shield and roof. The rear view mirror style and the handle of the door.
Key words: passenger car; wind noise; LES; acoustics analysis
当空气掠过汽车的外表面，在车身上除了会产生阻力和升力之外，还会产生空气动力学噪声，也就是通常所说的风噪。

研究表明：当车速超过90 km/h时，气动噪声将成为汽车的主要噪声源之一［1-4］。

当汽车高速运行时，长时间的风噪会让人很不舒服，影响汽车的舒适性。

而且，过大的风噪，也会影响车内人员相互交流。

当前，车市竞争十分激烈，风噪水平已成为评价汽车产品好坏的重要标志。

因此，研究汽车风噪有非常重要的意义。

本文针对一款自主品牌轿车采用CFD方法计算汽车外流场，并进行声学分析，找到了导致风噪偏大的原因，为车辆品质的提升和改进提供了方向。

1 计算模型
计算所用的几何模型及面网格见图1。

为了保证网格质量，提高计算收敛性，将汽车前端进气口封闭，简化了底盘结构，省略雨刮，对发动机舱盖和前挡风窗间进行人工密封。

除此之外的其它部分，与实车相比，模型几乎保留了汽车外表面所有细部特征。

整车面网格通过Hypermesh完成。

图1 计算模型和实车
与风阻计算相比，风噪计算时汽车外表面的许多细节（后视镜、门把手……）都非常重要，网格尺寸不能过大，分布也要合理。

因此，需要十分精细地处理（见图2）。

图2 后视镜和门把手的局部网格
体网格为混合网格。

其中，边界层为棱柱型网格，厚度为0.15 mm，共四层，其它区域采用四面体网格，网格总数2 250万。

计算域为长方体，其大小为：5倍车长×7倍车宽×4倍车高（见图3）。

进口条件采用速度入口，大小为110 km/h；出口条件为压力出口；地面、轮胎、车身等设为无滑移壁面；计算域的侧面和顶面设置为对称面边界条件。

图3 计算域示意图
2 计算方法
首先进行初始流场计算。

这一过程又可分为两步：（1）初始定常流场计算；（2）初始非定常计算。

计算定常流场的目的是为非定常计算提供初始条件。

定常计算采用Realizable湍流模型。

非定常计算采用大涡模拟。

完成初始流场计算后，便进行流场采样计算，根据采样得出的非定常静压脉动，使用Lighthill声学相似理论得到远场声压。

对计算出来的远场声压进行傅立叶变换，就得到声压频谱［5，6］。

整个计算共耗时28天，其中后12天为采样时间。

3 计算结果
3.1 流场分析
在图4可以看到，车身尾部和后视镜尾部有较大尾流区。

其中车身尾部的涡心位置距离车尾约0.4 m，约0.1倍车长。

后视镜尾部涡心位置距离后视镜约0.15 m，约1倍后视镜当量直径。

图4 中截面统计平均速度
图5中的脉动速度的计算式见公式（1）。

在图5中可以看到，空气在后视镜、车尾出现严重的气流分离，形成不同尺度漩涡，从而导致强烈速度脉动，使当地速度脉动标准差可达0.25以上。

流场中的漩涡以四极子形式向车内和车外传递。

图5 截面脉动速度
（ux）/uinlet=（1）
3.2 噪声分析
在车身表面设置了许多监控点，其中部分点的位置如图6所示。

图6 监控点位置
结合图5和图7可以看到，后视镜作为汽车气动噪声主要噪声源之一，气流在后视镜表面发生边界层分离，尾涡拍打镜面，使当地声压级很大。

由于气流在支架处的加速作用，当地的声压级在图中所示的几个测点，声压级最大，达130 dB。

图7 后视镜附近部分监控点频谱
在图8中，A柱末端的测点P57，在频率约为1 000 Hz处出现峰值，这是车顶和挡风玻璃连接和密封条不合理设计所致。

该测点的声压级也较大。

图8 车身部分监控点频谱
在图9中，门把手在稍高频率对应的声压级较大。

B柱没有较明显的噪声问题。

4 总结
利用基于大涡模拟的气动噪声直接解法求解轿车风噪问题时，具有很大的优势：进行声学分析所需要的全部信息由完全由CFD仿真得到，不需要附加额外的声学模型；计算可以反映声源本身以及声传播等多种声学现象；计算体现了噪声和流场的相互作用，有助于更深入地理解噪声的产生和传播机理。

本文利用该手段，对一款自主品牌轿车进行了CFD计算和声学分析，结果表明，可以在以下三个方面对该车做声学优化：（1）前挡风玻璃与车顶连接处；（2）后视镜的造型；（3）车门把手。

参考文献：
［1］ Richard G D.A study of vehicle interior noise using statistical energy analysis［J］. SAE paper 850960，1985.
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［5］ Wagner C A，Huttl T，Sagaut P. Large eddy simulation for acoustic
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［6］ Peric C，Watkins S，Lindqvist E.Wind turbulence effects on aerodynamic noise with relevance to road vehicle interior noise［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1997，69（7）: 20-28.
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