范偉軍，陳 濤，石少亮

(湖南大學 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

側(cè)風下的汽車非光滑表面后視鏡氣動降噪研究

范偉軍，陳 濤，石少亮

(湖南大學 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

汽車高速行駛時的氣動噪聲嚴重影響汽車乘坐舒適性，研究表明仿生凹坑非光滑表面的擾流效應(yīng)具有氣動降噪的作用。通過以汽車行駛時常見的側(cè)風工況為研究點，在后視鏡邊緣布置仿生凹坑非光滑單元結(jié)構(gòu)，研究側(cè)風對非光滑表面氣動降噪效果的擾動。采用分離渦模擬（Detached eddy simulation，DES）與計算氣動聲學（Computational aeroacoutics，CAA）相結(jié)合的方法，在無側(cè)風與側(cè)風工況下進行數(shù)值模擬得到監(jiān)測點聲壓級頻譜。通過對比定常分析中A柱后視鏡區(qū)域流動特征，壓力云圖，并結(jié)合側(cè)窗區(qū)域監(jiān)測點的聲壓級頻譜圖，探討非光滑表面在側(cè)風下對流場控制及氣動降噪中的作用。研究結(jié)果表明側(cè)風對非光滑表面后視鏡氣動降噪效果存在較大影響，并且在側(cè)風下背風側(cè)時非光滑表面的降噪效果最好。

聲學；非光滑表面；擾流效應(yīng)；氣動降噪；分離渦模擬；計算氣動聲學

氣動噪聲作為汽車高速行駛時的主要噪聲源，嚴重影響車內(nèi)乘員的乘坐舒適性。隨著近年來計算數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，對汽車氣動噪聲的優(yōu)化和控制成為了研究熱點[1–2]。高速氣流在A柱及后視鏡區(qū)域分離引起的復(fù)雜流場運動是氣動噪聲產(chǎn)生的主要原因[3]。側(cè)風作為汽車行駛過程中常見的自然現(xiàn)象，通過改變汽車A柱后視鏡等汽車周圍流場的結(jié)構(gòu)，對汽車氣動噪聲的產(chǎn)生具有重要影響。因此側(cè)風下的汽車流場控制研究，對降低氣動噪聲水平，提高汽車乘坐舒適性具有重要意義。

研究表明非光滑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)對改善流場結(jié)構(gòu)，降低氣動噪聲具有一定效果[4–5]。楊易等以計算仿真和實驗相結(jié)合的方法研究了仿生非光滑凹坑表面對流場的影響，結(jié)果表明非光滑表面在汽車車身上的應(yīng)用能有效改善車尾渦流結(jié)構(gòu)[6]。Xin Chen等通過將仿生凹坑結(jié)構(gòu)布置在汽車后視鏡罩表面，發(fā)現(xiàn)仿生凹坑表面能夠改善流場結(jié)構(gòu)，減小脈動壓力，對氣動降噪具有積極的影響[7]。側(cè)風狀態(tài)下的行駛作為汽車的常見工況，研究其氣動噪聲具有重要意義，但前人對側(cè)風下汽車氣動噪聲的研究和控制主要集中在A柱等結(jié)構(gòu)裝飾件的優(yōu)化[8–9]。在后視鏡的氣動降噪研究中，后視鏡前臉厚度、后臉深度及后視鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素對氣動噪聲的形成均具有重要影響[10–11]。本文從后視鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出一種將仿生凹坑布置在后視鏡罩邊緣的方案，研究側(cè)風對非光滑表面氣動降噪的擾動。

由于計算氣動聲學法對網(wǎng)格尺寸和計算時間步的嚴格要求，一般氣動噪聲的研究以聲類比法為主，本文通過采用計算氣動聲學的方法展開研究，提高計算精確度。首先建立標準MIRA模型分別與具有光滑和非光滑表面的流線造型后視鏡裝配作為研究對象。然后采用SSTk-ω模型對流場進行定常模擬仿真，得到側(cè)風和無側(cè)風工況下流場結(jié)構(gòu)及后視鏡區(qū)域壓力場計算結(jié)果。最后以分離渦模擬與CAA結(jié)合得到非定常模擬下的監(jiān)測點聲壓級曲線。通過定常與非定常模擬計算的結(jié)果對比分析，探討非光滑表面在側(cè)風下的擾流效應(yīng)，為進一步研究非光滑表面對氣動噪聲的改善提供參考。

1 計算模型與方法

1.1 計算模型與側(cè)風模擬方法

首先建立具有流線造型的后視鏡模型，并在后視鏡邊緣布置仿生凹坑型單元構(gòu)建非光滑表面后視鏡模型?？紤]到后期網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求，采用弓形凹坑結(jié)構(gòu)，凹坑直徑18 mm，深度7 mm，凹坑單元中心距離24 mm，建立的后視鏡模型如圖1所示。通過后視鏡與MIRA模型裝配得到如圖2所示計算所用模型。

圖1 后視鏡模型

圖2 計算模型示意圖

汽車實際行駛中的行駛狀態(tài)會因為路況與周圍環(huán)境等因素的影響而發(fā)生改變。當行駛在開闊的路面或有風的天氣下時，汽車可能會因為處于側(cè)風環(huán)境而出現(xiàn)偏航角，汽車側(cè)風下的行駛狀態(tài)一般通過較小偏角進行研究。圖3所示為汽車側(cè)風仿真模擬的偏角示意圖，0°和10°偏角分別模擬無側(cè)風和側(cè)風工況下的流動狀態(tài)。側(cè)風狀態(tài)采用合成風速120 km/h，分解后約為20.8 km/h的4級和風。

圖3 不同偏角示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值計算方法

本文所用的計算域如圖4所示，MIRA模型尺寸以L×B×H(長×寬×高)表示，計算域總長為9L，入口距離汽車前端2L，高為5H，寬度為9B，保證足夠的計算域。計算域邊界條件設(shè)置如表1所示。

圖4 計算域示意圖

表1 計算域邊界條件設(shè)置

在計算氣動聲學的數(shù)值模擬中，為提高計算結(jié)果準確性，保證仿真分析的置信度，本文嚴格按照分析軟件的要求計算所需網(wǎng)格尺寸與最小時間步數(shù)值。由于A柱后視鏡流域是氣動噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵區(qū)，因此對該區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。根據(jù)STAR CCM+中對氣動噪聲數(shù)值模擬的要求，以每個聲波波長內(nèi)至少20個單元網(wǎng)格進行計算，公式如下

λ為聲波波長，單位m；F為關(guān)注頻率,單位Hz；Δ為網(wǎng)格尺寸，單位m，a為聲速，單位m/s。

由于網(wǎng)格尺寸直接影響計算模擬所能得到的頻率范圍。根據(jù)式（1）、式（2）的要求，按關(guān)注頻率3 000 Hz，，該區(qū)域網(wǎng)格尺寸取4 mm。網(wǎng)格類型采用Trim網(wǎng)格，加密區(qū)域網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

考慮到計算網(wǎng)格數(shù)目龐大及分離渦模擬計算的復(fù)雜性，因此非定常分析中需要考慮合理的時間步設(shè)置。Nyquist采樣定律表明當采樣頻率大于信號最高頻率的兩倍時，采樣的數(shù)字信號能夠完整保留原始信號中的信息。根據(jù)STAR CCM+軟件的要求，一般采樣頻率大于關(guān)注頻率的15倍以更準確求解氣動噪聲。如式（3）所示

式中ΔtF為時間步長，單位s；F為關(guān)注頻率，單位Hz。為了滿足計算要求，同時提高計算精度，采用時間步長ΔtF=0.022 ms。

采樣時間根據(jù)斯特勞哈爾數(shù)確定

式中f為特征頻率，單位Hz；d為特征長度，單位m；v為流動速度，單位m·s-1；高雷諾數(shù)下圓柱繞流的斯特勞哈爾數(shù)約為0.2[12]。按后視鏡長度300 mm及定常分析中最高流速約62 m/s計算，代入式（4）中，可得后視鏡特征頻率大約為41 Hz，即特征周期為0.024 s。為了充分反映流場的流動特性，采樣周期設(shè)為0.2 s，約為后視鏡流場特征周期8倍。

1.3 聲壓級監(jiān)測點布置

為進一步分析側(cè)風狀態(tài)下后視鏡罩邊緣非光滑表面的氣動降噪效果，在側(cè)窗區(qū)域選取6個均勻分布的監(jiān)測點如圖6所示。

2 定常計算結(jié)果分析

2.1 流動狀態(tài)分析

后視鏡凸出于車身表面，高速氣流在流經(jīng)后視鏡時會產(chǎn)生嚴重的氣流分離。受流經(jīng)后視鏡高速氣流的沖擊作用，后視鏡后方的低速滯留區(qū)氣流作加速旋轉(zhuǎn)運動，形成渦流。由于作用于側(cè)窗表面的脈動壓力是氣動噪聲產(chǎn)生的主要原因，而旋轉(zhuǎn)的渦流造成的壓力波動是脈動壓力形成的主要原因，因此對后視鏡尾渦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和控制能夠改善該區(qū)域氣動噪聲水平。對流場的定常計算可以得到后視鏡區(qū)域氣流的流動狀態(tài)，如圖7－圖9所示分別為后視鏡區(qū)域在不同狀態(tài)下的三維流線圖。

圖6 監(jiān)測點分布圖

圖7 無側(cè)風工況后視鏡三維流線圖

圖8 側(cè)風工況下迎風側(cè)后視鏡三維流線圖

圖9 側(cè)風工況下背風側(cè)后視鏡三維流線圖

通過比較三種狀態(tài)下的流線圖可以發(fā)現(xiàn)，由于工況及后視鏡邊緣結(jié)構(gòu)的不同，后視鏡區(qū)域的流線形態(tài)也各有差別。無側(cè)風工況下，在后視鏡內(nèi)外兩側(cè)分別形成了兩個渦團，由于外側(cè)氣流流速更高，外側(cè)渦團明顯大于內(nèi)側(cè)。后視鏡邊緣的非光滑表面對流場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的改變，從圖7中可以看出，非光滑模型的內(nèi)側(cè)渦團的渦量明顯減小，同時對外側(cè)渦團造成一定影響，外側(cè)渦團橫向發(fā)展且渦核中心往外移動。根據(jù)圖8側(cè)風下迎風側(cè)的后視鏡區(qū)域流場結(jié)構(gòu)，非光滑模型外側(cè)渦團橫向發(fā)展，但兩模型渦團渦量和渦團結(jié)構(gòu)變化不大。從圖9中可看出，非光滑表面對側(cè)風下背風側(cè)的后視鏡渦團結(jié)構(gòu)改變較大。光滑模型與非光滑模型在后方內(nèi)外側(cè)均形成兩個渦團，兩側(cè)渦團渦量差別不大。相比于原模型，非光滑模型內(nèi)側(cè)渦團體積顯著減低，且渦團中心明顯往后視鏡外側(cè)移動，使后視鏡內(nèi)側(cè)受渦流影響減小。

綜合以上對后視鏡流場結(jié)構(gòu)的比較，在不同狀態(tài)下，非光滑表面對后視鏡后方的流場均產(chǎn)生了一定影響，具有降低渦量并使渦團中心往后視鏡外側(cè)移動的作用，但在不同狀態(tài)下對后視鏡流域流場的影響不同。根據(jù)渦聲理論中渦流是氣動噪聲產(chǎn)生的主要原因，后視鏡區(qū)域渦團的渦量越小，渦團中心越遠離后視鏡內(nèi)側(cè)，對降低氣動噪聲水平越有利。根據(jù)以上分析，后視鏡邊緣布置非光滑表面對降低后視鏡區(qū)域氣動噪聲具有積極作用，且側(cè)風對非光滑表面的降噪效果具有一定影響。

2.2 壓力場分析

高速氣流在后視鏡區(qū)域后方的渦流形成與壓力場的負壓中心存在密切聯(lián)系，通過觀察后視鏡區(qū)域壓力的改變能直觀顯示非光滑表面對后視鏡流場擾動作用。通過在后視鏡后方60 mm處作截面，對比分析不同工況下截面壓力的變化情況。圖10－圖12分別為不同工況下后視鏡區(qū)域截面壓力云圖。

圖10 無側(cè)風狀態(tài)截面壓力云圖

對比圖10－圖12可以看出，側(cè)風影響了后視鏡區(qū)域的壓力分布。以無側(cè)風時的截面壓力值為參考標準，側(cè)風下迎風側(cè)的后視鏡區(qū)域截面壓力值顯著升高，而背風側(cè)的壓力值明顯降低。這種壓力場的改變對氣動噪聲的產(chǎn)生具有重要影響。

從圖10中無側(cè)風工況下的壓力云圖可以看出，光滑模型下方存在緊貼門外板的負壓中心，非光滑模型在該處的負壓中心面積減小，且往后視鏡外側(cè)移動。

在圖11側(cè)風工況下迎風側(cè)的壓力云圖中，相對原模型，非光滑模型下方門外板位置形成了一個較小的負壓中心，但總的負壓中心相對往后視鏡外側(cè)移動。

圖12中側(cè)風下背風側(cè)的壓力變化較大，光滑模型在靠近側(cè)窗表面處形成了負壓值較大的負壓中心，非光滑模型在該處負壓值明顯減小，且后視鏡后方總的壓力值相對更高，壓力中心往后視鏡外側(cè)移動。

圖11 側(cè)風工況下迎風側(cè)截面壓力云圖

圖12 側(cè)風工況下背風側(cè)截面壓力云圖

通過后視鏡區(qū)域壓力場的分析可知，非光滑表面對不同工況下的后視鏡區(qū)域壓力場影響不同。由于負壓中心一般是渦流形成的主要原因，因此負壓中心面積減小或外移能起到改善氣動噪聲的作用。結(jié)合以上分析可知，后視鏡罩邊緣非光滑表面對后視鏡區(qū)域氣動噪聲具有積極的改善作用，且不同工況下改善效果不同。

3 非定常計算結(jié)果分析

本文在非定常分析過程中采用CAA直接求解各監(jiān)測點的脈動壓力，通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Tranform,FFT）得到各監(jiān)測點聲壓級頻譜。如圖13－圖15所示為不同工況下各監(jiān)測點的聲壓級頻譜，圖中曲線均經(jīng)過A計權(quán)和1/3倍頻程處理。

圖13－圖15中所有監(jiān)測點的聲壓級曲線均為101個數(shù)據(jù)點的連線，為直觀得到非光滑后視鏡在不同工況下的降噪情況，根據(jù)式（5）求得各監(jiān)測點在40 Hz～3 000 Hz內(nèi)的平均降噪值，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖13 無側(cè)風下監(jiān)測點聲壓級頻譜

圖14 側(cè)風下迎風側(cè)監(jiān)測點聲壓級頻譜

從圖13－圖15的聲壓級頻譜圖可以看出，不同狀態(tài)下的監(jiān)測點聲壓級水平相差較大。以光滑模型在監(jiān)測點1的聲壓級為例，在40 Hz～3 000 Hz內(nèi)，監(jiān)測點1在側(cè)風下迎風側(cè)的聲壓級在50 dB～90 dB范圍，而無側(cè)風時聲壓級在70 dB～110 dB范圍，側(cè)風下背風側(cè)則達到80 dB～118 dB，說明側(cè)風對流場的改變顯著影響了后視鏡流域內(nèi)氣動噪聲的水平。

綜合不同工況下的監(jiān)測點聲壓級頻譜圖及平均降噪情況表可看出，側(cè)風對非光滑模型的降噪效果影響顯著。無側(cè)風工況下，非光滑模型在監(jiān)測點2、3、5、6點均達到了較好的氣動降噪效果，最高降噪達到5 dB左右，6個監(jiān)測點的聲壓級平均下降3.5 dB。非光滑模型在側(cè)風工況下迎風側(cè)的降噪效果一般，以監(jiān)測點2、5為主要降噪點，最高達5 dB左右，6個監(jiān)測點的聲壓級平均下降1.4 dB。側(cè)風下背風側(cè)的非光滑模型降噪效果最好，在監(jiān)測點1、2、4、5、6均有較大幅度的降噪，監(jiān)測點的最高降噪超過10 dB，6個監(jiān)測點的聲壓級平均下降6.5 dB。

圖15 側(cè)風下背風側(cè)監(jiān)測點聲壓級頻譜

表2 各監(jiān)測點平均降噪情況（40 Hz～3 000 Hz）

結(jié)合定常模擬與非定常模擬的計算結(jié)果進行分析，非光滑表面的擾流效應(yīng)改變了后視鏡區(qū)域流場和壓力場分布，對降低氣動噪聲水平具有積極的影響。由于受側(cè)風在后視鏡區(qū)域?qū)饬鞯臄_動，非光滑表面的擾流效應(yīng)在側(cè)風下對流場的影響也存在差別，其中對側(cè)風下背風側(cè)的擾流效果最好，氣動降噪水平最高。

4 結(jié)語

（1）側(cè)風通過改變汽車后視鏡流域內(nèi)氣流流動狀態(tài)及壓力場分布，對該流域內(nèi)的氣動噪聲造成了較大擾動。

（2）受側(cè)風影響，仿生凹坑表面擾流效應(yīng)產(chǎn)生的氣動降噪效果存在較大差別，在側(cè)風下背風側(cè)的氣動降噪效果最好，最高降噪能超過10 dB，在40 Hz～3 000 Hz范圍內(nèi)的平均降噪達到6.5 dB。

本文在后視鏡罩邊緣布置仿生凹坑表面的方案對降低后視鏡區(qū)域氣動噪聲具有一定的指導(dǎo)意義。本文主要研究側(cè)風對非光滑表面后視鏡降噪效果的擾動，在今后的研究工作中將對仿生非光滑凹坑尺寸，數(shù)量及位置進行研究優(yōu)化，以得到更好的實用性。

[1]HANNES M FRANK,CLAUS-DIETER MUNZ.Direct aeroacoustic simulation of acoustic feedback phenomena on aside-view mirror[J].Journalofsound and vibration,2016(371):132-149.

[2]RAGHU L A MUTNURI,SIVAPALAN SENTHOORAN,ROBERT POWELL,et al.Computational process for wind noise evaluation of rear-view mirror design in cars[R].SAE,2014-01-0619,2014.

[3]MEHMET N TOMAC,KEVIN YUGULIS,JAMES W GREGORY,et al.Investigation of vibration phenomenon induced by air flow over side view mirror[J].Journal of Fluids Engineering,2011（133）121102.

[4]諶可，王耘，曹開元，等.仿生非光滑汽車表面的減阻分析[J].中國機械工程，2012，23（8）：1001-1006.

[5]吳元強.A柱-后視鏡區(qū)域仿生造型對氣動降噪的影響研究[D].長春：吉林大學，2016.

[6]楊易，黃劍鋒，范光輝，等.非光滑表面對汽車尾渦結(jié)構(gòu)的控制分析研究[J].機械工程學報，2016，52(8).

[7]XIN CHEN,LEI YANG.Research on aerodynamic noise reduction with non-smooth surfaces of exterior rearview mirror cover[J].Advanced Materials Research,2012(432):1768-1772.

[8]羅澤敏，谷正氣，宗軼琦，等.側(cè)風下的汽車風振噪聲研究與控制[J].空氣動力學學報，2016，34(4)：468-475.

[9]王俊，龔旭，董國旭，等.側(cè)風下某車型A柱風噪優(yōu)化研究[J].汽車工程，2016，38(10)：1237-1243.

[10]陳鑫，王懷玉，高長鳳，等.后視鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)對流場和氣動噪聲的影響[J].航空動力學報，2014，29(5)：1099-1103.

[11]李啟良，王志剛，王毅剛.汽車后視鏡氣動噪聲的影響參數(shù)[J].同濟大學學報，2011，39(8).

[12]LIKHANDEBIPIN,SOVANIS,XU JIEYONG.Computational aeroacoustic analysis of a generic side view mirror[R].SAE,2003-01-1698,2003.

Research on theAerodynamic Noise Reduction of Car Rearview Mirrors with Non-smooth Surface under Crosswind Condition

FAN Wei-jun,CHEN Tao,SHI Shao-liang
(State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China)

The aerodynamic noise of cars at high speed greatly affects vehicle comfort.Study shows that the spoiler effect of non-smooth surface of biomimetic pits has the effect of aerodynamic noise reduction.In this study,the bionic pits and non-smooth elements are arranged on the edge of the rearview mirror.With the crosswind in the car operation condition as the research point,the perturbation of the crosswind on the aerodynamic noise reduction effect on the non-smooth surface is analyzed.Using the combined method of DES and CAA,numerical simulation is carried out to obtain the sound pressure level spectrums at the monitoring points in the crosswind condition and the condition without the crosswind respectively.By mutually comparing the airflow characteristics and pressure cloud diagrams in the region of the A pillar rearview mirror in the steady state analysis,and combining with the sound pressure level spectrum diagram of the monitoring points,the influence of the non-smooth surface on the airflow field control and aerodynamic noise reduction under the crosswind condition is detected.The results show that the crosswind has a great influence on the aerodynamic noise reduction effect of the rearview mirrors with non-smooth surface,and the noise reduction effect is the best on the non-smooth surface of the leeward side under the crosswind condition.

acoustics;non-smooth surface;spoiler effect;aerodynamic noise reduction;DES;CAA

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.022

1006-1355(2017)05-0103-06+131

2017-04-06

湖南省自然科學基金資助項目（14JJ3055）

范偉軍（1992－），男，長沙市人，碩士研究生，主要研究方向為汽車空氣動力學。

陳濤，男，長沙市人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

E-mail:daniel_chen2004@163.com