SUV鏤空式尾翼的氣動(dòng)噪聲仿真及優(yōu)化

于澤美，吳長(zhǎng)鵬，盧祖秉，曹杰汛

（東風(fēng)汽車(chē)有限公司 東風(fēng)日產(chǎn)乘用車(chē)公司 技術(shù)中心，廣州 510800）

近年來(lái)，SUV在中國(guó)乘用車(chē)市場(chǎng)受到消費(fèi)者的廣泛青睞，同時(shí)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。為了向用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，提高客戶(hù)的滿(mǎn)意度，汽車(chē)企業(yè)在車(chē)輛開(kāi)發(fā)時(shí)愈加重視整體品質(zhì)，如乘坐舒適性等。而汽車(chē)振動(dòng)噪聲就是影響汽車(chē)舒適性的重要因素[1]。

SUV的整體造型風(fēng)格越來(lái)越時(shí)尚、前衛(wèi)，科技感十足，在高級(jí)跑車(chē)和賽車(chē)上常見(jiàn)的鏤空式尾翼也逐漸應(yīng)用在SUV上。擁有良好空氣動(dòng)力學(xué)外形結(jié)構(gòu)的鏤空尾翼，不僅能有效降低整車(chē)風(fēng)阻[2]，還為后風(fēng)擋無(wú)雨刮的設(shè)計(jì)提供了可能性。但是，高速氣流在流經(jīng)鏤空尾翼時(shí)產(chǎn)生的分離，極有可能導(dǎo)致強(qiáng)渦流，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的氣動(dòng)噪聲，并通過(guò)后風(fēng)擋玻璃傳入車(chē)內(nèi)，影響駕乘體驗(yàn)。因此，應(yīng)高度重視鏤空尾翼設(shè)計(jì)中的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題。

在過(guò)去的研究中，A柱及后視鏡的設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)氣動(dòng)噪聲性能的影響受到普遍關(guān)注，且有較為全面的仿真和試驗(yàn)案例可以參考[3-5]。而鏤空尾翼更多地應(yīng)用在高級(jí)跑車(chē)或賽車(chē)上，在乘用車(chē)上仍是較為新穎的設(shè)計(jì)，所以有關(guān)鏤空尾翼的空氣動(dòng)力學(xué)仿真案例及文獻(xiàn)相對(duì)較少。因此，本文參考后視鏡噪聲領(lǐng)域較為成熟的仿真及評(píng)價(jià)方法，搭建鏤空尾翼區(qū)域仿真模型，對(duì)原始方案進(jìn)行仿真計(jì)算，并依據(jù)流場(chǎng)結(jié)果對(duì)尾翼的形狀結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化對(duì)策；再通過(guò)對(duì)比后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖、后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)等，來(lái)評(píng)價(jià)各對(duì)策方案的風(fēng)噪性能，優(yōu)選出最佳方案；最后把3D打印的尾翼安裝到實(shí)車(chē)上進(jìn)行道路試驗(yàn)，驗(yàn)證了此仿真評(píng)價(jià)方法的有效性。此方法在車(chē)輛開(kāi)發(fā)前期為各尾翼方案快速優(yōu)選提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)鏤空尾翼區(qū)域風(fēng)噪性能仿真方法研究有一定的參考價(jià)值。

1 問(wèn)題背景

在某全新開(kāi)發(fā)的SUV車(chē)型上設(shè)計(jì)了鏤空式尾翼。在空氣動(dòng)力學(xué)方面，經(jīng)過(guò)前期多輪仿真優(yōu)化，已達(dá)到較為理想的風(fēng)阻水平；污染物管理方面，通過(guò)對(duì)鏤空尾翼的氣流流向和流量進(jìn)行優(yōu)化，使后風(fēng)擋玻璃在無(wú)雨刮設(shè)計(jì)的情況下，其表面泥土、灰塵附著范圍在可接受范圍內(nèi)；風(fēng)噪方面，鏤空尾翼附近的風(fēng)噪問(wèn)題則一直是工程師關(guān)注的重點(diǎn)。捷豹IPACE上裝配的鏤空式尾翼如圖1所示。

圖1 捷豹IPACE上裝配的鏤空式尾翼

當(dāng)高速氣流流經(jīng)鏤空尾翼時(shí)，在尾翼下表面附近會(huì)產(chǎn)生湍流漩渦。一方面，湍流在后風(fēng)擋玻璃壁面上產(chǎn)生湍流壓力脈動(dòng)，引起車(chē)窗振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲；另一方面，渦流本身就是一種噪聲源，其產(chǎn)生的噪聲一部分被風(fēng)擋玻璃反射，另一部分透過(guò)玻璃傳入車(chē)內(nèi)[6]。由于后風(fēng)擋玻璃距離后席人耳較近，后排乘員的乘坐舒適性極易受到影響。為降低這種影響，需要對(duì)鏤空尾翼的氣動(dòng)噪聲性能進(jìn)行仿真優(yōu)化。

2 基礎(chǔ)方案計(jì)算過(guò)程

2.1 基本原理

本文的仿真結(jié)果通過(guò)求解瞬態(tài)可壓縮Navier-Stokes方程得到，控制方程為：

式中：τ為應(yīng)力項(xiàng)，μ為流體的粘度；U為流體速度；I為單位張量；ρ為密度；p為壓力；e為內(nèi)能；t為時(shí)間；T為溫度。

仿真采用的是SST-DDES湍流模型，這是一種基于k-ωSST模型構(gòu)建的延遲分離渦模擬（Delayed Detached Eddy Simulation，DDES）模型。該模型在邊界層內(nèi)層采用k-ωSST模型，而在分離區(qū)則自動(dòng)切換成大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型。針對(duì)本文涉及的仿真，流體在分離前的車(chē)頂區(qū)域采用的是k-ωSST模型，而在尾翼處分離之后則自動(dòng)切換成LES模型，從而可以高精度地捕捉分離之后的流動(dòng)細(xì)節(jié)。

2.2 網(wǎng)格模型設(shè)置

整車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量十分龐大，如果進(jìn)行整車(chē)模型的搭建及計(jì)算，對(duì)人力、計(jì)算資源以及時(shí)間成本都會(huì)造成很大的負(fù)擔(dān)。為了快速對(duì)比各方案的優(yōu)劣，采用機(jī)艙封閉、底盤(pán)封閉的簡(jiǎn)化半車(chē)模型，以減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間。計(jì)算域使用尺寸為45 m×6 m×12.5 m的長(zhǎng)方體，最大體網(wǎng)格尺寸為512 mm。整車(chē)設(shè)置4層網(wǎng)格加密域，其加密尺寸分別為64 mm、32 mm、16 mm、8 mm；后視鏡區(qū)域、輪胎、鏤空尾翼區(qū)域需特別加密（2～4 mm）。此外，在車(chē)體表面生成精細(xì)的邊界層網(wǎng)格，以充分考慮邊界層現(xiàn)象對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。計(jì)算域和加密域如圖2所示

圖2 計(jì)算域和加密域

2.3 物理模型設(shè)置

仿真分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩個(gè)階段。穩(wěn)態(tài)模型使用k-ω湍流模型，入口速度為140 km/h，出口壓力為0 Pa，迭代求解為2 000步。

瞬態(tài)模型使用LES湍流模型，求解總時(shí)間為0.2 s，時(shí)間步長(zhǎng)為 1.0×10-5s。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，僅采集后0.1 s的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析及方案優(yōu)化

3.1 基礎(chǔ)模型結(jié)果分析

原始的BASE方案中，為實(shí)現(xiàn)良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，鏤空尾翼的迎風(fēng)面設(shè)計(jì)成倒L形，如圖3所示。

圖3 BASE方案y=-0.12 m處斷面

在瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果中，截取某一時(shí)刻在y=-0.12 m平面的速度、壓力云圖，如圖4和圖5所示。由圖可知，在鏤空尾翼下方及后方有劇烈的渦脫現(xiàn)象。

圖4 y=-0.12 m截面速度云圖

圖5 y=-0.12 m截面壓力云圖

由于本文暫不考慮內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算，所以并未做湍流壓力脈動(dòng)和聲學(xué)壓力脈動(dòng)的分離和提取，僅對(duì)后風(fēng)擋玻璃表面總的壓力脈動(dòng)做傅里葉變換，得到在20～13 000 Hz的頻率范圍內(nèi)1/3倍頻程的功率譜密度[8]（Power Spectrum Density，PSD）結(jié)果，以此表征后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)。若干頻率下的后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖如圖6和圖7所示。由圖可知，在鏤空尾翼下方的玻璃表面上，出現(xiàn)了總聲壓級(jí)較高的區(qū)域（紅區(qū)），這說(shuō)明尾翼下方的分離渦帶有較大的能量。這些能量在經(jīng)過(guò)玻璃傳播時(shí)會(huì)受到一定程度的衰減，最終傳遞到車(chē)內(nèi)的部分將形成噪聲。在后風(fēng)擋玻璃的吻合頻率[7]（3 150～4 000 Hz）范圍內(nèi)，能量的衰減程度較小，通過(guò)后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)結(jié)果預(yù)測(cè)的車(chē)內(nèi)噪聲水平相對(duì)準(zhǔn)確，在該頻率范圍內(nèi)對(duì)比各方案風(fēng)噪性能的優(yōu)劣較為合理，所以需對(duì)此頻率范圍重點(diǎn)關(guān)注。

圖 6 后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖（800～2 500 Hz）

圖 7 后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖（3 150～6 300 Hz ）

為了解決鏤空尾翼下方氣流分離劇烈、湍流能量較大的問(wèn)題，應(yīng)改善流經(jīng)鏤空尾翼段的氣流流速和指向性。因此，需要對(duì)尾翼的迎風(fēng)面和下表面進(jìn)行型面優(yōu)化。

3.2 尾翼結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

3.2.1 下表面拐點(diǎn)前移

從BASE方案計(jì)算結(jié)果的速度、壓力云圖可以看出，原本平穩(wěn)的氣流在經(jīng)過(guò)尾翼下表面尖點(diǎn)后受到擾動(dòng)，氣流上卷，形成漩渦，而后出現(xiàn)劇烈的渦脫現(xiàn)象。因此，嘗試將下表面拐點(diǎn)前移或后移，拉長(zhǎng)過(guò)渡段，以達(dá)到平穩(wěn)氣流的目的。具體方案見(jiàn)表1。

表1 拐點(diǎn)移動(dòng)方向和距離說(shuō)明

對(duì)后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布結(jié)果做平均處理，得到如圖8所示的后風(fēng)擋玻璃表面平均聲壓級(jí)的頻譜曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)比各個(gè)對(duì)策不同頻率下的平均聲壓級(jí)，可以對(duì)各對(duì)策的有效性作出定性評(píng)價(jià)。由圖8可知，在后風(fēng)擋玻璃吻合頻率范圍內(nèi)，對(duì)策2的平均聲壓級(jí)最低，即拐點(diǎn)前移40 mm效果最優(yōu)；而拐點(diǎn)后移則無(wú)明顯優(yōu)化效果。

圖8 對(duì)策1～4方案的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)

拐點(diǎn)位置前移40 mm后，后風(fēng)擋表面高聲壓區(qū)域面積變小，整體風(fēng)噪水平有明顯改善，因此，將對(duì)策2作為階段性方案CASE01，如圖9和圖10所示。

圖9 對(duì)策1～4的后風(fēng)擋總聲壓級(jí)云圖（3 150 Hz）

圖10 對(duì)策1～4的后風(fēng)擋總聲壓級(jí)云圖（4 000 Hz）

3.2.2 迎風(fēng)面形狀的改善

觀察CASE01在y=-0.12平面的速度云圖（圖11），可以看到在L形拐角處存在低速區(qū)，對(duì)氣流的流暢性及穩(wěn)定性造成影響。為了改善拐角處的流場(chǎng)，在CASE01的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了幾種不同的迎風(fēng)面形狀，具體如圖12所示。

圖11 CASE01在y = -0.12 m平面的速度云圖

圖12 對(duì)尾翼迎風(fēng)面形狀的改善方案

對(duì)以上3種對(duì)策進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各對(duì)策的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)，如圖13所示。由圖可知，對(duì)策6的風(fēng)噪性能優(yōu)于其它兩個(gè)對(duì)策?？赡艿脑蚴菍?duì)策6在迎風(fēng)面改成外凸后，變相將上一節(jié)中提到的拐點(diǎn)位置繼續(xù)沿x方向前移，即在改變氣流流向的同時(shí)，增加了穩(wěn)流段的長(zhǎng)度。而導(dǎo)致對(duì)策7惡化的原因可能是由于尾翼下表面與風(fēng)擋玻璃表面形成了類(lèi)似風(fēng)道的結(jié)構(gòu)，風(fēng)道開(kāi)口截面積減小，致使流經(jīng)的氣流速度加大，不穩(wěn)定性加強(qiáng)。

圖 13 對(duì)策5～7的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)

圖14和圖15是CASE01與各改善對(duì)策的后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖的對(duì)比。由圖可知，對(duì)策6的玻璃表面高聲壓區(qū)域（紅區(qū)）的面積最小，性能最優(yōu)。因此，將對(duì)策6確定為階段性方案CASE02。

圖 14 CASE01與對(duì)策5～7的后風(fēng)擋總聲壓級(jí)分布云圖（3 150 Hz）

圖 15 CASE01與對(duì)策5～7的后風(fēng)擋總聲壓級(jí)分布云圖（4 000 Hz）

3.2.3 增加鋸齒狀擾流結(jié)構(gòu)

相比于BASE方案，CASE02方案的整體風(fēng)噪水平有較大幅度提升，但同時(shí)風(fēng)阻性能也有一定程度的惡化。為了減少對(duì)風(fēng)阻性能的犧牲，在尾翼迎風(fēng)面下表面上加裝擾流結(jié)構(gòu)，期望達(dá)到梳理氣流、降低風(fēng)阻的作用。

對(duì)于擾流部件的形式，提出鋸齒狀與長(zhǎng)條狀兩種方案。在綜合考慮工程可行性與造型美觀性后，對(duì)其位置進(jìn)一步調(diào)整，具體見(jiàn)表2。

表 2 擾流結(jié)構(gòu)及布置位置說(shuō)明

對(duì)各對(duì)策仿真計(jì)算得到的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)整理如圖16所示。各方案相對(duì)于BASE方案的風(fēng)阻系數(shù)變化值見(jiàn)表3。

圖16 對(duì)策8～10的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)

表 3 對(duì)策8～10風(fēng)阻系數(shù)變化情況

為平衡風(fēng)阻與風(fēng)噪性能，在盡量不犧牲風(fēng)阻性能的前提下，選擇后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)最低的方案。因此，確定對(duì)策10方案為最終方案CASE03。通過(guò)對(duì)比，CASE03方案的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)在各頻率段均低于BASE方案。其中，3 150 Hz時(shí)約有8 dB，4 000 Hz時(shí)約有8.5 dB的改善，具體如圖17所示。

CASE03方案在800～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)的若干頻率下的后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)云圖，如圖18和圖19所示。與BASE方案相同頻率下的總聲壓級(jí)分布云圖對(duì)比可知，CASE03方案的尾翼下方氣流分離現(xiàn)象減弱，玻璃表面壓力脈動(dòng)能量明顯降低，整體風(fēng)噪性能有所提升。

在鏤空尾翼下方與后風(fēng)擋玻璃之間布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖20所示。采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)傅里葉變換處理得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處總聲壓級(jí)頻譜曲線(xiàn)，如圖21所示。對(duì)比BASE方案與CASE03方案的頻譜曲線(xiàn)可知，CASE03方案的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)在低頻段整體低于BASE方案，整體風(fēng)噪性能有所提升。

圖17 BASE方案與CASE03方案的后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)

圖18 CASE03方案的后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云（800～2 500 Hz ）

圖 19 CASE03方案的后風(fēng)擋表面總聲壓級(jí)分布云圖（3 150～6 300 Hz ）

圖 20 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～3布置位置

圖21 BASE方案與CASE03方案的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)曲線(xiàn)對(duì)比

4 道路試驗(yàn)效果驗(yàn)證

對(duì)BASE方案、CASE03方案和某過(guò)程方案CASE00進(jìn)行實(shí)物道路試驗(yàn)驗(yàn)證。將3D打印的尾翼樣件搭載在實(shí)車(chē)上，在試驗(yàn)場(chǎng)分別以100 km/h、120 km/h、140 km/h的速度進(jìn)行道路試驗(yàn)，在此過(guò)程中采集后席內(nèi)耳位置聲壓值結(jié)果，如圖22所示。

圖 22 后席內(nèi)耳位置聲壓值（試驗(yàn)結(jié)果）

圖 23 后風(fēng)擋表面平均聲壓級(jí)曲線(xiàn)（仿真結(jié)果）

由道路試驗(yàn)結(jié)果可知，CASE03方案在各車(chē)速下測(cè)得的后席內(nèi)耳處聲壓值均低于BASE方案，整體風(fēng)噪水平有明顯提高，與仿真結(jié)果相同。由于過(guò)程方案CASE00的仿真結(jié)果顯示其風(fēng)噪性能相比于BASE方案有所惡化，所以本文不對(duì)此方案的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)多探討和說(shuō)明，僅用于驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)結(jié)論的一致性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)鏤空尾翼區(qū)域的風(fēng)噪性能進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)比流場(chǎng)和聲場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，找到對(duì)鏤空尾翼風(fēng)噪性能影響較大的因素，并針對(duì)性地提出優(yōu)化對(duì)策，評(píng)價(jià)各對(duì)策的風(fēng)噪性能，優(yōu)選出最佳方案，并通過(guò)道路試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。具體結(jié)論如下：

（1）針對(duì)尾翼下表面存在的拐點(diǎn)，通過(guò)將其x向前移的方式拉長(zhǎng)穩(wěn)流段，對(duì)風(fēng)噪性能有提升作用。

（2）改善尾翼迎風(fēng)面形狀，外凸形狀的風(fēng)噪性能優(yōu)于內(nèi)凹形狀。

（3）尾翼下表面增加擾流結(jié)構(gòu)會(huì)使流經(jīng)尾翼下方的氣流得到梳理，對(duì)降低風(fēng)阻有明顯的作用。

（4）尾翼區(qū)域流場(chǎng)比較敏感，需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)整優(yōu)化，找到風(fēng)阻與風(fēng)噪性能的平衡點(diǎn)。

本文涉及的仿真和評(píng)價(jià)方法適用于對(duì)不同尾翼結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)噪性能做出快速判斷，為工程、造型等的方案優(yōu)選提供參考。未來(lái)還將完善乘員艙內(nèi)部噪聲傳遞路徑的仿真計(jì)算，并通過(guò)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證提高仿真精度。