某卡車后視鏡氣動噪聲預測與改善

張錦宙 陳思佳 陸增俊 羅丹

摘 要：本文旨在采用CFD仿真方法對卡車后視鏡風振的來源和產(chǎn)生風振原因進行分析和預測，在車速從40-100km/h的工況區(qū)間對聲壓級進行仿真分析，同時通過與實車測試結果進行對比，從而有效預測和高速行駛中由卡車后視鏡引起的車內(nèi)氣動噪聲，為改善某卡車后視鏡氣動噪聲性能提供指導方向，以期從聽覺上提升駕駛室感官質(zhì)量水平。

關鍵詞：后視鏡;氣動噪聲;風振;聲壓級;聲學有限元

1 前言

隨著用戶對卡車舒適性和感官質(zhì)量要求的提高，駕駛室內(nèi)氣動噪聲已經(jīng)成為其中一個重要的判定指標。根據(jù)試驗表明，伴隨著車輛行駛速度提高，車內(nèi)氣動噪聲會愈發(fā)突出，伴隨著近年來卡車外部機械結構部件和輪胎噪聲改善課題研究的不斷推進，由后視鏡產(chǎn)生的氣動噪聲已經(jīng)成為最重要的外部氣動噪聲來源，除此之外，卡車在雨天高速行駛中，后視鏡與周圍流場出現(xiàn)劇烈相互作用形成尾渦和湍流，導致雨水在在鏡面上形成積壓，影響行車安全。

2 問題來源

據(jù)市場售后反饋，某卡車在高速行駛速度超過80km/h時，在司機側車門玻璃打開的情況下，駕駛室內(nèi)出現(xiàn)出現(xiàn)明顯的氣動噪聲，影響駕乘舒適性。

針對該問題，通過現(xiàn)場實車排查測試，發(fā)現(xiàn)在對后視鏡整體角度進行調(diào)節(jié)后，對應的在高速行駛中的室內(nèi)氣動噪聲變化較明顯，因此，可以確定針對該卡車，高速行駛過程中由后視鏡產(chǎn)生的風振是室內(nèi)氣動噪聲的主要來源。為了改善該后視鏡的氣動噪聲性能，提升駕駛室感官質(zhì)量水平，在項目中采用了CFD仿真結合實車測試驗證的方法對后視鏡氣動噪聲進行預測并提出整改建議。

3 CFD仿真相關理論

3.1 穩(wěn)態(tài)計算駕駛室外流場

對于該卡車后視鏡氣動噪聲計算，首先建立駕駛室外部的流場區(qū)域，采用RANS模型中SST（Menter）模型計算穩(wěn)態(tài)流場。其外部的流動屬于低速粘性流動，控制方程可寫為：

式中，為空氣密度;為時間;為速度矢量;為對流項;為擴散項;為源項。對于連續(xù)方程，=1，=0，=0。對動量方程，以方向為例，，，，其中為粘性系數(shù)，為層流粘性數(shù)，為湍流粘性系數(shù)，為壓力，為方向速度。

3.2 瞬態(tài)計算駕駛室外流場

本文采用基于SST（Menter）兩方程湍流模型求解Navier-Stokes方程的DES方法，在近壁面區(qū)域用RANS求解，使得邊界層內(nèi)計算量較小;遠壁面區(qū)域采用LES求解。該模型是與的混合模型，控制參數(shù)實現(xiàn)兩種模型在不同情況下的轉換。SST（Menter）控制方程為：

式中，為湍動能;為比耗散率;為速度分量;、為湍流生成項;為控制參數(shù);、、、、、為參數(shù)。

在SST（Menter）湍流模型方程的耗散項中，湍流尺度參數(shù)為

在DES方法中，由代替，其中為網(wǎng)格單元間的最大距離，常數(shù)。在靠近壁面的邊界層中，《，該模型充當SST（Menter）湍流模型;在遠離壁面區(qū)域，》，該模型充當大渦模擬中的亞格子雷諾應力模型。

4 輸入及數(shù)值模擬條件

4.1 仿真輸入

基于該卡車的駕駛室仿真方案如圖1所示，將原車和優(yōu)化后的駕駛室作為模型。

設駕駛室模型的長度、寬度、高度分別為L、W、H，根據(jù)經(jīng)驗建立長方形計算域。長度方向為20L=45m，計算域入口距模型 3L，可還原空氣流動的湍動能特征;出口距模型16L，保證了駕駛室模型后方完整的尾流結構;寬度為5W=15m，高度為 6H=13m，駕駛室離地面高度0.4H=1m。計算域模型如圖 2所示。

4.2 網(wǎng)格模型

六面體網(wǎng)格劃分，6層邊界層，最里層約0.25mm，格數(shù)量約3840萬，網(wǎng)格截止頻率大都超過100Hz，如圖3所示。

4.3 仿真輸入?yún)?shù)

輸入?yún)?shù)如表1所示。

4.4 分析流程

針對外后視鏡外形和外伸量變動引起的駕駛室氣動噪聲變化，本文采用CFD軟件對駕駛室外流場進行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)的計算以及分析，隨后利用LMS.VIRTUAL.LAB聲學有限元軟件將CFD計算的專業(yè)聲學代碼做數(shù)據(jù)的映射和傅里葉變換，得到駕駛室聲學空間的聲壓級分布和場點聲壓級分布的云圖，分析流程如圖4所示。

5 CFD仿真數(shù)值模擬和實驗結果對比

5.1 后視鏡風振產(chǎn)生原理

經(jīng)CFD仿真模擬，卡車行駛過程中氣流流過后視鏡前端扁平型面產(chǎn)生尾渦，尾渦在向后運動中生長變大，當運動至側窗后邊沿時撞擊破碎將渦核壓力傳入駕駛室，駕駛室整體壓力變小產(chǎn)生強烈的壓力波動。尾渦的產(chǎn)生、生長、撞擊、破碎脫落及再次周期性產(chǎn)生并作用于室內(nèi)的現(xiàn)象稱為風振。如圖5所示。

5.2 實車試驗測試

頻譜采集試驗測試場地為瀝青高速路面，測試對象為該卡車整改前后的整體式后視鏡，設備采用比利時LMS公司Test. lab噪聲測試設備以及丹麥GRAS公司的預極化傳聲器和前置放大器，如圖6所示。

測試過程如圖7所示，為探究不同車速下后視鏡氣動噪聲的變化情況，對40km/h～100km/h區(qū)間的車速進行測試，每間隔10km/h測量一次共7組數(shù)據(jù)，測試點在駕駛員左耳邊。圖8是實測聲壓級變化曲線，在車速達到70km/h時，原車駕駛室聲壓級明顯增大，如圖中紅色曲線所示，圖中綠色曲線是優(yōu)化后的狀態(tài)，隨著車速增加，改善效果愈明顯，在車速達到100km/h時聲壓級降低了8dB，如綠色曲線所示。

5.3 仿真與試驗結果對比

CFD仿真結果和實車測試結果如圖9所示，當車速達到90km/h時，原車后視鏡的實測值為113.7dB，仿真值為116dB;優(yōu)化后整體式后視鏡的實測值為106.1dB，仿真值為111.3dB，其在該時速下對應的仿真和實測風振頻率對比如圖10所示，仿真共振頻率為12.4Hz，而實測共振頻率為18Hz，可以看出，雖然兩者間存在差異，但從整體來看，在忽略其他噪聲影響的基礎上，仿真結果和試驗結果在聲壓級大趨勢一致，證明了工程應用仿真方法在一定程度上具有其準確性，比較精確的預測了后視鏡型面和外伸量變化對室內(nèi)噪聲的影響。

5.4 后視鏡風振改善機理分析

從仿真壓力云圖可以看出，原車后視鏡內(nèi)側面與駕駛室存在夾角，導致高速行駛過程中后視鏡尾渦通過車門窗導向駕駛室，因此室內(nèi)氣動噪聲大，優(yōu)化后的后視鏡內(nèi)側面與駕駛室側圍基本平行，且較遠離駕駛室，尾渦未直接導入駕駛室，因此室內(nèi)氣動噪聲較小，具體如圖11所示。

6 總結

本文通過采用CFD仿真分析對駕駛室內(nèi)氣動噪聲進行分析與預測，首先確定了室內(nèi)風振的產(chǎn)生來源及產(chǎn)生原理，在聲學有限元中，預測了車內(nèi)聲學空間環(huán)境，得出了駕駛員左耳旁的聲壓級，并最終進行了相關的實車測試，通過對比仿真分析和測試結果可獲得以下結論。

（1）通過CFD仿真分析可以看出，在車外氣動噪聲的聲壓級中低頻噪聲為主要聲源。

（2）通過對比實車測試結果，可看出在忽略實驗與仿真的誤差的基礎上，CFD仿真分析的方法可有效的預測駕駛室內(nèi)的聲壓級水平，為后續(xù)后視鏡的優(yōu)化提供指導和驗證。

（3）優(yōu)化后的整體式后視鏡氣動噪聲性能優(yōu)于原車后視鏡。

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