基于FLUENT和STAR—CCM+的整車氣動(dòng)噪聲源對(duì)比

柳陽++許春鐵+昝建明+李啟良+王毅剛

摘要： 為對(duì)比FLUENT和STAR-CCM+在整車氣動(dòng)噪聲源的計(jì)算精度，開展某兩廂轎車的氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)值仿真.研究發(fā)現(xiàn)：2個(gè)軟件得到的整車表面總聲壓級(jí)分布云圖較相似，各部件噪聲分布特征一致，大小排序相同，但FLUENT得到的總聲壓級(jí)大于STAR-CCM+.FLUENT在計(jì)算測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)與聲壓級(jí)頻譜時(shí)優(yōu)于STAR-CCM+，具體體現(xiàn)在：側(cè)窗19個(gè)點(diǎn)和車身50個(gè)點(diǎn)的能量平均值與試驗(yàn)差值分別僅為0.6 dBA和-0.4 dBA，而STAR-CCM+的差值分別為3.1 dBA和1.7 dBA；兩者在中低頻上差異不大，但FLUENT得到中高頻的聲壓級(jí)與試驗(yàn)更加接近.

關(guān)鍵詞： 兩廂轎車； 氣動(dòng)噪聲源； 總聲壓級(jí)； 聲壓級(jí)頻譜； 風(fēng)洞試驗(yàn)； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： U467.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)者要求的提高，汽車乘坐的舒適性日益重要.噪聲水平的高低很大程度影響著汽車的舒適性.隨著車速的提高和車內(nèi)噪聲水平的降低，空氣與車輛相互作用產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲不可小視.風(fēng)洞試驗(yàn)是研究氣動(dòng)噪聲機(jī)理和噪聲控制的重要手段.隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的發(fā)展，數(shù)值仿真也成為預(yù)測(cè)汽車氣動(dòng)噪聲的主要手段.

工程中大多采用商業(yè)流體軟件實(shí)現(xiàn)整車氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真.常用的流體軟件有FLUENT和STAR-CCM+.本文作者曾使用FLUENT的LES湍流模型對(duì)單個(gè)普通后視鏡表面和氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析，給出其壓力脈動(dòng)特性和氣動(dòng)噪聲影響因素.[1-2]陳鑫等[3]使用FLUENT的LES湍流模型對(duì)單個(gè)后視鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)和氣動(dòng)噪聲的影響展開研究，明確不同鏡罩邊緣結(jié)構(gòu)在較大程度上影響流經(jīng)后視鏡罩的氣流速度和流線方向，對(duì)后視鏡后部流場(chǎng)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)產(chǎn)生較大影響.劉海軍等[4]利用STAR-CCM+的LES湍流模型對(duì)后視鏡非定常流場(chǎng)進(jìn)行仿真，并采用聲類比思想進(jìn)行聲場(chǎng)評(píng)估，分析流場(chǎng)云圖和聲壓級(jí)頻譜曲線的變化規(guī)律.整車氣動(dòng)噪聲源數(shù)值仿真也有不少，較多采用FLUENT和STAR-CCM+的LES湍流模型對(duì)轎車外部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，獲得轎車表面附近流場(chǎng)脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)，通過聲類比方法得到測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜.[5-8]

雖然國內(nèi)首座整車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞于2009年建成并投入使用，但是由于試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，絕大多數(shù)高校和中小型企業(yè)研究人員均無法進(jìn)行與仿真相對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，所以絕大部分發(fā)表的文獻(xiàn)缺乏試驗(yàn)支撐.本文利用自身優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地開展某車型氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并借助風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)評(píng)估使用FLUENT和STAR-CCM+獲得表面噪聲源的精度，為后續(xù)研究提供參考.

1 試驗(yàn)和仿真方法

為對(duì)比FLUENT與STAR-CCM+氣動(dòng)噪聲仿真的精度和差異，選取某兩廂轎車為研究對(duì)象，并在國內(nèi)首座整車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量.

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

量產(chǎn)的某兩廂轎車位于風(fēng)洞試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤處.車頭正對(duì)噴口，處于無偏航角的空載工況，見圖1.將表面?zhèn)髀暺靼惭b在側(cè)窗19個(gè)、車身其他部位50個(gè)測(cè)試點(diǎn)，示意見圖2.

試驗(yàn)采用的聲學(xué)測(cè)量設(shè)備主要包括聲學(xué)測(cè)量分

析儀器HEAD ACOUSTICS SQLAB III，表面?zhèn)髀暺骱虰&K標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器.試驗(yàn)開始前后使用B&K標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器對(duì)聲學(xué)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn).設(shè)定采集卡的采樣頻率為48 000 Hz，采樣時(shí)間為10 s.為減少表面?zhèn)髀暺髯陨硇螤顚?duì)流場(chǎng)的影響，將69個(gè)測(cè)點(diǎn)分成12組，每組6個(gè)，最后一組重復(fù)第一組的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于檢測(cè)試驗(yàn)的可重復(fù)性.每組試驗(yàn)均等待風(fēng)速穩(wěn)定到140 km/h再開始采集數(shù)據(jù).

計(jì)算域取8倍車長、7倍車寬和4倍車高，其中計(jì)算域進(jìn)口距車頭2倍車長，見圖3.使用商業(yè)軟件HyperMesh進(jìn)行面網(wǎng)格劃分.由于整車包括機(jī)艙、底盤等復(fù)雜部件，在劃分面網(wǎng)格前需要完成幾何簡(jiǎn)化，包括碎面合并、刪除短邊等.整車劃分為三角形網(wǎng)格，最小網(wǎng)格位于后視鏡（見圖4）、格柵、門把手和雨刮處，網(wǎng)格尺寸約為1.5～2.5 mm；大網(wǎng)格位于側(cè)窗、A柱和C柱等處，尺寸約為2.5～5.0 mm；大多數(shù)部件面網(wǎng)格約為5.0～10 mm，其中最大面網(wǎng)格為10 mm.計(jì)算域四周劃分為三角形網(wǎng)格，尺寸為150 mm.

面網(wǎng)格檢查無誤后分別導(dǎo)入到FLUENT和STAR-CCM+中生成體網(wǎng)格.為使兩者更具可比性，應(yīng)保證在車身表面和地面生成相同的邊界層網(wǎng)格.首層網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，增長率為1.2，共計(jì)6層；與此同時(shí)在流動(dòng)紊亂的后視鏡、車底和車尾區(qū)域，設(shè)置相同的網(wǎng)格加密區(qū)域，且網(wǎng)格大小相同.

在FLUENT中，整個(gè)計(jì)算域劃分為三棱柱和四面體的體網(wǎng)格形式，共計(jì)8 600萬個(gè)的體網(wǎng)格.在STAR-CCM+中，使用Trim+layer策略生成計(jì)算域的體網(wǎng)格.Trim網(wǎng)格是目前汽車企業(yè)使用最為廣泛的體網(wǎng)格，其能使除邊界層網(wǎng)格區(qū)域外的大計(jì)算域生成為六面體網(wǎng)格，從而有效降低網(wǎng)格數(shù).正因如此，整個(gè)計(jì)算域生成4 700萬個(gè)體網(wǎng)格，數(shù)量較FLUENT少，計(jì)算時(shí)間更短.

計(jì)算域進(jìn)口給定與試驗(yàn)相同的風(fēng)速140 km/h，即38.89 m/s.冷凝器和散熱器的壓降特性來自供應(yīng)商提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù).車身其他部件均采用無滑移壁面條件.在FLUENT中，利用可實(shí)現(xiàn)兩方程k-ε湍流模型[9]獲得流場(chǎng)的準(zhǔn)定常解，然后使用大渦模擬計(jì)算非定常流場(chǎng)，其中亞格子模型選用Smagorinsky-Lilly模型[10].采用不可壓縮的計(jì)算方法，其中壓力與速度耦合采用SIMPLE.在非定常流動(dòng)計(jì)算中，時(shí)間步長和每時(shí)間步長迭代次數(shù)按照表1設(shè)定.流動(dòng)進(jìn)入1.55 s后開始采集數(shù)據(jù)，共計(jì)2 500個(gè)時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果用于數(shù)據(jù)分析.整個(gè)計(jì)算工況使用120核的刀片服務(wù)器花費(fèi)8 d的時(shí)間可完成.

在STAR-CCM+計(jì)算中，由于LES無法加載多孔介質(zhì)模型，所以只能選擇計(jì)算精度稍差的渦分離模型.本文采用的渦分離模型在近壁區(qū)域采用k-w的SST湍流模型，其他區(qū)域采用大渦模型.除此之外，其他設(shè)置與FLUENT完全相同.整個(gè)計(jì)算工況使用120核的刀片服務(wù)器花費(fèi)10 d時(shí)間可完成.