李小梅，李書陽, 龐崇劍, 顧曉丹,侯兆平

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

當(dāng)行駛中的汽車在天窗或側(cè)窗打開時(shí)，車內(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[1-4]。天窗打開的汽車在氣流中運(yùn)動，車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，車身表面的漩渦脫離車身并隨著剪切層氣流向后運(yùn)動。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。傳到車外的一部分壓力波到達(dá)開口的前緣，將再次引發(fā)渦旋的脫落。這個(gè)過程每秒鐘會重復(fù)很多次，并且引起剪切層產(chǎn)生一個(gè)特定的振動頻率。如果這個(gè)頻率與車廂的固有頻率相同，將會發(fā)生共振，這種類型的共振稱為亥姆霍茲共鳴[5]。

本文作者針對某乘用車存在的天窗風(fēng)振噪聲問題，利用CFD方法對其進(jìn)行仿真分析，并與道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析的有效性。通過對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 汽車風(fēng)振噪聲產(chǎn)生的機(jī)制

汽車在低速行駛時(shí)，開啟天窗的過程伴隨著風(fēng)振噪聲的產(chǎn)生。開窗的車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：

(1)

其中：f為諧振腔的頻率；c為風(fēng)速；A為諧振腔的開口面積；V為諧振腔的容積；l為諧振腔的開口高度[1]。

可見腔體的共振頻率取決于車速、開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，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，對車身模型進(jìn)行處理，分析模型基本包括所有對天窗風(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)長方體計(jì)算域，模擬汽車周圍的空氣流動，如圖2所示。計(jì)算域長度為9倍車長，寬度為6倍車寬，高度為4倍車高。

對面網(wǎng)格進(jìn)行檢查和修復(fù)后生成體網(wǎng)格，對體網(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)測點(diǎn)為駕駛員右耳。

圖2 計(jì)算域

圖3 網(wǎng)格加密側(cè)視圖

2.2 邊界條件設(shè)定

計(jì)算采用顯示全瞬態(tài)分析方法，設(shè)定入口速度60 km/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60 km/h；汽車表面為壁面邊界，壁面為絕熱非滑移壁面。

2.3 仿真結(jié)果及分析

觀察整車天窗風(fēng)振噪聲結(jié)果聲壓級曲線圖(圖4)，可知：初始模型天窗共振頻率為19.98 Hz，風(fēng)振噪聲峰值為100 dB。

圖4 聲壓級曲線

觀察天窗區(qū)域壓力云圖(圖5)，氣流經(jīng)過天窗擾流板上緣后，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。

由圖5可知：天窗擾流板對氣流的導(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)對比

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

圖6 仿真與測試結(jié)果對比

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)示意見圖7。

由于整車造型要求及零件結(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)選取見表1，擾流板傾角度參數(shù)選取見表2。

圖7 參數(shù)示意

表1擾流板高度參數(shù)選取

方案高度/mm角度/(°)方案一4535方案二5035方案三5535方案四6035方案五6535

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，對擾流板高度進(jìn)行參數(shù)化分析。對擾流板高度分別為45、50、55、60、65 mm時(shí)進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真分析結(jié)果如圖8所示，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 高度對風(fēng)振的影響仿真優(yōu)化與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比

在擾流板垂直高度保持不變的情況下，對擾流板傾角度進(jìn)行參數(shù)化分析。對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，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 角度對風(fēng)振的影響仿真優(yōu)化與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

通過整車三維建模對某乘用車型進(jìn)行了天窗風(fēng)振噪聲數(shù)值仿真分析，全面評價(jià)了該車的風(fēng)振噪聲水平，找出潛在的優(yōu)化改進(jìn)區(qū)域，并對影響天窗風(fēng)振噪聲的關(guān)鍵因素進(jìn)行參數(shù)化研究，為后續(xù)車型的天窗擾流板設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

(1)通過對初始模型進(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)通過對比數(shù)值仿真分析與道路測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿真與測試結(jié)果高度一致，可認(rèn)為該次仿真分析方法的有效性和準(zhǔn)確性。

(3)對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，對改善天窗風(fēng)振噪聲效果越有利。

(4) 對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。