某SUV鏤空尾翼氣動噪聲特性的研究*

秦 玲，杜小錦，馮錦陽，黃順巧，段孟華，王慶洋

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.上海汽車集團股份有限公司創(chuàng)新研究開發(fā)總院，上海 201804）

前言

近年來，隨著汽車技術(shù)高速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)外對汽車研究的焦點已經(jīng)由動力性能向駕乘坐舒適性傾斜。同時，伴隨著汽車新能源技術(shù)的迅猛發(fā)展，“消失的”發(fā)動機、平整的底盤等都大幅降低了對車內(nèi)噪聲的貢獻，但高速行駛過程中，汽車外造型所產(chǎn)生的氣動噪聲對車內(nèi)噪聲的貢獻比重大幅增加，駕乘者對中、高頻噪聲的主觀感受也更加突出，對此產(chǎn)生的抱怨也更多［1］。

目前，國內(nèi)外對于汽車氣動噪聲的研究手段有道路測試、風洞試驗、CFD 數(shù)值計算［2］。項目開發(fā)早期不能提供實車，道路測試是根本行不通的，風洞試驗也僅能依靠油泥模型車實現(xiàn)，而CFD 數(shù)值計算則不受其限制，所以，企業(yè)采取油泥模型車風噪風洞試驗與整車數(shù)值仿真分析同步進行的策略［3-5］。通過對數(shù)值計算結(jié)果進行分析，找到優(yōu)化方向，制作優(yōu)化方案并仿真計算，再通過油泥模型車風噪風洞試驗對優(yōu)化方案進行驗證。這樣便可不受實車條件、風洞試驗成本的限制，將汽車開發(fā)有效進行下去。

尾翼可以提高整車外觀運動感，合理設(shè)計能夠減小氣動阻力［6-8］，且尾翼造型多變可增加汽車的獨特性。而本文SUV 鏤空式尾翼的風洞測試結(jié)果表明其是本車最主要的噪聲源之一，本文中運用傳聲器陣列、煙流顯示、油流顯示等技術(shù)對試驗時整車及局部的聲場聲源、流場流態(tài)進行了可視化及分析，結(jié)合CFD 數(shù)值仿真手段對整車外流場進行了模擬及分析，確定了鏤空尾翼發(fā)聲原理，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化方向，同時制定了具體的優(yōu)化方案進行數(shù)值分析和試驗驗證，兩種手段結(jié)果均表明優(yōu)化方案可以有效地改善鏤空尾翼區(qū)域的風噪聲源，提高整車風噪性能。

1 風洞試驗

本車開發(fā)早期，采用全尺寸聲學(xué)油泥模型車風洞風噪試驗來把控和驗證開發(fā)車型的外造型風噪性能和相應(yīng)優(yōu)化方案。

1.1 測試風洞

本次研究測試在中國汽車工程研究院汽車風洞中心氣動-聲學(xué)風洞中進行。該風洞為3/4開口式回流風洞，噴口面積28 m2，試驗段長度18 m，測試最高風速可達250 km/h，測試段流場湍流強度低于0.2%，流場均勻性小于0.3%，壓力梯度、氣流偏角、邊界層位移厚度等各項流場指標均滿足設(shè)計要求，可以保證在風洞測試中提供高品質(zhì)流場；除此之外，測試段溫度保持在25 ℃（±1 ℃），測試段自由場空間的低頻截止頻率為63 Hz，背景噪聲水平在140 km/h風速下低于58 dB（A），且低頻壓力脈動小于0.005［9］，滿足低背景噪聲的要求。

1.2 測試方法

開發(fā)前期，尚無實車，通過高精度全尺寸聲學(xué)油泥模型來進行外造型風噪風洞試驗。

油泥車經(jīng)過骨架設(shè)計搭建-油泥外形粗胚-機床精加工-精度比對，得到外造型高精度的油泥車。油泥車除了外造型，還要盡可能真實地反映車內(nèi)聲學(xué)情況，側(cè)窗、前后風擋、天窗都安裝與實車等厚度的玻璃，油泥車內(nèi)部設(shè)計真實的駕駛艙，艙內(nèi)安放座椅，并在艙內(nèi)壁面上粘貼合適的吸聲材料。

測試前，在油泥車內(nèi)安裝4 套德國Haed Acoustic 公司提供的HMS IV 代數(shù)字人工頭，分別放置在主駕、副駕、第2 排左側(cè)及右側(cè)座椅位置。通過數(shù)采前端、測試信號線將人工頭雙耳與聲學(xué)控制室的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連接起來；測試時，運用測試軟件Head Record9.0、分析軟件ArtemiS SUITE9.0 進行信號采集、分析處理，得到每個工況下的A計權(quán)聲壓級頻譜、聲壓在各頻率成分能量的總級（overall level（A），OA）、語音清晰度（articulation index，AI）。整個測試按照行業(yè)標準T/CSAE 113—2019《汽車整車氣動-聲學(xué)風洞風噪試驗-車內(nèi)風噪測量方法》［10］進行。

測試過程中，為了更加直觀地了解汽車聲源在車身周圍的分布，運用車外聲源識別采集設(shè)備Gfai公司提供的三維陣列（3 × 168 通道）系統(tǒng)自動捕捉車身輪廓，同時對車外聲源進行采集，通過分析軟件綜合計算頂面、兩側(cè)陣列的采集信息得到三維波束云圖［11］，并映射到車身三維數(shù)模上。

除此之外，還可以運用煙流顯示技術(shù)、油流顯示技術(shù)對汽車周圍的流場以及車身表面的流態(tài)進行可視化，可以更直觀地研究流場的流動狀態(tài)。

1.3 測試工況

在測試過程中嚴格控制試驗中的變量，針對尾翼的測試皆是基于同一個基礎(chǔ)工況進行。所有工況測試風速為140 km/h，且0°偏航。測試工況如圖1所示。

圖1 工況示意圖

工況1：安裝造型設(shè)計的尾翼，通過膠帶對安裝間隙進行密封，后續(xù)測試皆是在本工況的基礎(chǔ)上進行，即本工況為此處研究的BASE工況。

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，將尾翼開口封閉，根據(jù)尾翼開口造型制作一對塑料蓋板，配合強力黏性膠帶對縫隙進行密封和固定。

工況3：在工況1的基礎(chǔ)上，拆除尾翼，并用膠帶對安裝孔進行封堵，保證車身表面平滑無泄漏。

1.4 測試結(jié)果分析

采用三維聲源識別技術(shù)對車身表面聲源進行定位、聚焦（如圖2 所示），從聲源識別可看出，本車除了在A柱-后視鏡區(qū)域出現(xiàn)聲源外，尾翼區(qū)域也是一個聲源區(qū)，且尾翼的聲源量級更為突出。

圖2 工況1三維聲源云圖

為了弄清尾翼區(qū)域氣流的運動狀態(tài)，在尾翼上表面以及后風擋玻璃的上部區(qū)域進行了油流顯示（如圖3 所示），尾翼上表面以及鏤空進口區(qū)域的油滴皆是順著氣流方向在其表面流動。尾翼正下方后風擋表面的油滴則存在兩種流動狀態(tài)：一種是氣流在小部分區(qū)域順著玻璃表面流動，主要是尾翼鏤空通道正下方區(qū)域；另一種是油滴停滯在玻璃表面未形成流跡，主要是鏤空通道結(jié)束后的玻璃面。

圖3 工況1尾翼油流圖

為了更好地量化有無尾翼、尾翼有無鏤空特征對風噪性能的影響，繼續(xù)對工況2、工況3進行測試，結(jié)果如表1 所示，封閉尾翼的鏤空特征與拆除尾翼所帶來的風噪性能的提升量近乎相等，由此初步判定本車尾翼聲源是由其鏤空的造型所導(dǎo)致。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計表

通過聲學(xué)耳機回放，主觀上對尾翼是否鏤空、有無尾翼進行了對比。當有鏤空尾翼時，能明顯聽出存在“轟轟”的聲音。故主觀認為鏤空尾翼產(chǎn)生的聲源集中在中低頻段。

將工況1與工況2、工況3的頻譜曲線 “差值”處理得到圖4，兩種工況在全頻段都有貢獻量，且二者在各個中心頻率下聲壓級貢獻量很接近，進一步判定本車尾翼聲源是由其鏤空的造型導(dǎo)致。工況2、工況3 的最大貢獻量所在頻段都出現(xiàn)在70～500 Hz，次要貢獻量頻段則都在500～1 000 Hz，故對車內(nèi)的OA和AI都有很大程度的惡化。

圖4 封閉尾翼、拆除尾翼后聲壓級差值曲線

但是，本車外觀美學(xué)定位要求尾翼必須存在，且必須有鏤空特征，所以為了后續(xù)更有效地控制、優(yōu)化本車尾翼處的氣動噪聲，運用煙流顯示技術(shù)分別對工況1、工況2 的尾翼區(qū)域氣流進行可視化，如圖5所示。

圖5 尾翼區(qū)域煙流圖

從煙流結(jié)果可直觀地看出，當尾翼為非鏤空時，前方高速來流流經(jīng)尾翼表面至其末端，在慣性作用下繼續(xù)向后流去，但在距后風擋玻璃一定距離的區(qū)域，流動方向改變，發(fā)生回旋，產(chǎn)生渦漩。而當氣流流經(jīng)鏤空尾翼時，高速來流被尾翼前沿強制分流：一部分氣體流向尾翼上表面，在尾翼末端分離，因慣性繼續(xù)向后流動一定路程后，氣流方向發(fā)生改變，被卷入尾渦；另一部分氣流流向尾翼鏤空通道，集中運動向后流去，在流出通道不遠的后風擋玻璃表面改變運動方向，向上揚起，匯入尾渦。

煙流顯示與表面油流結(jié)果基本一致?？梢耘卸ㄧU空尾翼上下兩部分氣流最終都被卷入尾渦中，且在距后風擋玻璃較近區(qū)域形成大量渦漩，而高湍動能渦漩作為聲源向車內(nèi)輻射噪聲。

因風洞試驗資源緊張、測試費用較高，對于本車尾翼優(yōu)化工作，將采用中國汽研高精度數(shù)值計算策略對尾翼流場進行仿真分析和優(yōu)化。

2 整車外流場數(shù)值分析

2.1 模型處理及數(shù)值計算

按照中國汽研標準對車身數(shù)據(jù)進行清理，保留整車外造型細節(jié)的幾何特征，特別是格柵、雨刮、門框飾條、后視鏡、尾翼、門把手、輪胎等幾何特征復(fù)雜的部件，同時要避免過渡處理帶來網(wǎng)格畸變嚴重或者網(wǎng)格分布不均勻的情況。

為了更準確地模擬汽車行駛過程中車身周圍氣流狀態(tài)，計算域的阻塞比應(yīng)小于5%，同時為了提高計算效率，其阻塞比也不應(yīng)過小，故本次研究計算域長11L（L為車長），高5H（H為車高），寬9W（W為車寬）。體網(wǎng)格劃分過程中對整車進行3 層加密，其網(wǎng)格尺寸由小到大依次為16、32、128 mm。尾翼區(qū)域因其流場的復(fù)雜性，想要更多地捕捉該區(qū)域氣流的流動狀態(tài)須進一步加密，設(shè)置局部加密區(qū)，其網(wǎng)格尺寸為2 mm，棱柱層總厚度2 mm，共8層。

汽車車速遠低于聲速，車身周圍流場可以視為三維不可壓黏性等溫流場［12］。整車外流場穩(wěn)態(tài)采用SST（Menter）k-ω湍流模型，迭代5 000 步；瞬態(tài)采用基于Menterk-ωSST 的分離渦模擬（DES）模型求解Navier-Stokes 方程的IDDES 方法［13］，時間步長0.05 ms，共計算0.15 s。同時，輸出流場信息。

通過波束分解［14］將后風擋的流場信息進行提取，得到流致噪聲源［15］和聲致噪聲源［16］，再將兩種聲源加載到對應(yīng)的SAE 模型，從而計算得到主駕的OA和AI。

從測試結(jié)果知道尾翼聲源最大貢獻在100 Hz左右，而200 Hz 以下頻段不在本文聲場仿真策略的計算范圍內(nèi)，OA貢獻量會弱化，故后續(xù)仿真工作將以流場變化、車內(nèi)AI貢獻量作為判定方案有效性的依據(jù)。

2.2 計算結(jié)果分析

流場結(jié)果如圖6 所示，尾翼氣流結(jié)構(gòu)與煙流顯示結(jié)果吻合。車頂高速氣流流經(jīng)尾翼時，受其造型影響，在前端被迫分流，部分向尾翼鏤空通道流去，在突然變窄的空間里被動加速，并在尾翼下型面的引導(dǎo)下“沖擊”后風擋（如圖6（a）所示）；與此同時，尾翼上下表面氣流分離、再附著，使該區(qū)域壓力梯度增大，后風擋表面壓力脈動急劇變化，導(dǎo)致玻璃振動產(chǎn)生聲源即偶極子聲源［17］，如Curle 聲功率［18］云圖（圖7）所示，較高的聲能集中在尾翼正下方的玻璃表面并快速傳遞至車內(nèi)。

圖6 外流場示意圖

圖7 尾翼偶極子聲源云圖

還有一部分氣體貼著尾翼表面流動：貼著尾翼上表面流動的氣體直至尾翼上表面末沿發(fā)生分離；而貼著尾翼鏤空段下表面流動的氣體直至下表面拐角處發(fā)生分離。尾翼上下表面氣流先后分離，在尾翼后方空間形成較大的壓力梯度，分離后的氣流被“卷吸”入逆壓區(qū)，從而生成大量的湍流渦漩，這些渦漩在空氣中周期性的高頻運動，擾動空間氣流，向外釋放能量，即四極子聲源［19］，進而輻射至車內(nèi)，其分布如Proudman 聲功率［20］云圖（圖8）所示。另一部分渦漩在周圍氣體的帶動下向后運動，并重新著陸在風擋表面下半?yún)^(qū)域，“敲擊”玻璃表面，振動產(chǎn)生聲源。

圖8 尾翼四極子聲源云圖

綜上所述，尾翼產(chǎn)生氣動噪聲的原因有：（1）氣流在尾翼鏤空處加速流動，受尾翼下型面的引導(dǎo)直接沖擊后風擋；（2）高速貼體流動的氣流在尾翼末端分離，并在逆壓區(qū)的作用下形成大量湍流渦漩向四周輻射聲源；（3）部分湍流渦漩作用于后風擋。

3 優(yōu)化方案與試驗驗證

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上文流場分析，認為鏤空尾翼優(yōu)化方向如下：（1）減少鏤空處的氣體流量；（2）降低尾翼下方氣流速度；（3）改變尾翼下方氣流流動方向。

為了兼顧到造型對尾翼鏤空特征的需求，制定了相應(yīng)的方案，并通過數(shù)值計算的流場結(jié)果確定了3個優(yōu)化方案，幾何示意圖如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案示意圖

方案1，設(shè)計一個高為19 mm 的導(dǎo)流條，將其安裝在尾翼后下方，避免高速氣體沖擊后風窗表面。數(shù)值計算結(jié)果如圖10 所示，可見實施該方案后，尾翼鏤空通道加速的氣流在導(dǎo)流條型面的引導(dǎo)作用下，向斜后方揚起，沒有沖擊后風擋，后風擋表面偶極子聲源大幅減弱。同時，揚起的這股氣流還對尾翼后方的湍流渦漩造成了一定的擾動，使得部分氣體被沖散，減弱了這個區(qū)域的氣流湍流度，導(dǎo)致空間中的四極子聲源也明顯降低并遠離后風擋。

圖10 方案1流場對比圖

方案2，將鏤空尾翼中部支撐柱加寬（向兩側(cè)各加寬100 mm），從而減小鏤空段在Y向的開口尺度，達到減少鏤空通道進氣量的目的。數(shù)值計算結(jié)果如圖11 所示，可見尾翼中部的氣流明顯減少，從而減弱了通道中氣流對后風擋的沖擊，后風擋表面偶極子聲源明顯降低。同時，也削弱了尾翼方湍流渦漩的形成，空間中的四極子聲源也隨之減小。

圖11 方案2流場對比圖

方案3，為了盡可能保持原外造型設(shè)計，用最小的幾何變動來提高風噪性能，只提高尾翼下表面飽滿度，讓其更具流線型。數(shù)值計算結(jié)果如圖12 所示，可見改善尾翼下表面飽滿度后，引導(dǎo)下表面氣流流動方向，減弱氣流對后風擋的沖擊，后風擋表面偶極子聲源有所減小。同時，提高了尾翼下表面氣流的貼體性，延遲分離，減弱湍流渦漩的形成，空間四極子聲源也明顯減小，且遠離后風擋。

圖12 方案3流場對比圖

聲場計算結(jié)果更加明確了上述優(yōu)化方案可以顯著提高車內(nèi)語音清晰度，同時也能降低車內(nèi)聲壓級，具體優(yōu)化效果如表2所示。將3個方案分別與BASE的頻譜進行對比，采納了優(yōu)化方案的車內(nèi)聲壓級相較于BASE 在全頻段皆有減小，貢獻量最突出的頻段集中在2 000～3 000 Hz，如圖13所示。

表2 優(yōu)化方案計算結(jié)果統(tǒng)計表

圖13 優(yōu)化方案仿真結(jié)果差值頻譜曲線圖

3.2 試驗驗證

為了明確上述方案對車內(nèi)風噪性能的實際有效性以及貢獻量，對其進行了試驗驗證。

測試風速140 km/h，偏航角度0°。

工況1：BASE工況，即造型設(shè)計的尾翼。

工況2：在工況1基礎(chǔ)上，安裝尾翼優(yōu)化方案1。

工況3：在工況1基礎(chǔ)上，安裝尾翼優(yōu)化方案2。

工況4：在工況1基礎(chǔ)上，安裝尾翼優(yōu)化方案3。

測試得到的AI、OA表明3 個方案都能有效地提升本車風噪性能，測試結(jié)果如表3所示。將3個方案的聲壓級頻譜與基礎(chǔ)工況進行對比，如圖14 所示。從3條頻譜差值曲線可以看出，3個方案在全頻段上都能降低聲壓級，且在70～1 000 Hz 頻段貢獻量最大，表明對AI和OA都有較大改善。尤其是在100 Hz左右的頻段，聲壓級減小量最多，BASE 工況聽到的“轟轟”聲應(yīng)屬于低頻噪聲，實施了3 個優(yōu)化方案后，這種聲音明顯減弱。

表3 優(yōu)化方案測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖14 優(yōu)化方案測試結(jié)果差值頻譜曲線圖

測試結(jié)果按照仿真計算頻率范圍200～10 000 Hz進行處理，計算統(tǒng)計車內(nèi)情況，結(jié)果如表4 所示，兩種手段AI貢獻量十分接近，OA貢獻量存在一定差異，但是，對比聲壓級頻譜曲線（見圖15），可以看出無論是風洞試驗，還是仿真計算，各個方案在計算頻段內(nèi)都能降低車內(nèi)聲壓級，且兩種手段的差值曲線“走勢”幾乎一致，由此證明，優(yōu)化方案對于提高車內(nèi)聲學(xué)性能皆是有效的。

表4 優(yōu)化方案計算與測試結(jié)果對比

圖15 結(jié)果差值頻譜（200～10 000 Hz）曲線圖

4 結(jié)論

本文中通過試驗確定了鏤空尾翼對整車風噪性能有較大的不利影響，同時，通過對測試結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的分析，明確了鏤空尾翼發(fā)聲原因，提出了優(yōu)化方向，制定了具體的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進行了數(shù)值計算分析、風洞試驗驗證，從而進一步驗證了鏤空尾翼氣動噪聲的發(fā)聲原理和優(yōu)化方向。同時發(fā)現(xiàn)對聲場低頻計算精度有待提高，這將是后續(xù)研究的重點之一。本文研究可得如下結(jié)論。

鏤空尾翼氣動噪聲來源：（1）受鏤空尾翼的影響，車頂來流一部分從尾翼上表面流過，一部分則從鏤空處加速通過，導(dǎo)致尾翼上下區(qū)域壓力梯度增大，尾翼上下表面的分離氣流受后下方低壓區(qū)的卷吸作用形成大量的渦旋，向車內(nèi)輻射噪聲；（2）在尾翼下方低壓區(qū)的吸附作用下，尾翼后方部分氣體作用于后風擋，產(chǎn)生聲源；（3）在鏤空處高速通過的氣流受尾翼下型面的引導(dǎo)直接沖擊后風擋，產(chǎn)生聲源。

鏤空尾翼優(yōu)化方向：（1）減少鏤空處的氣體流量；（2）降低尾翼下方氣流速度；（3）改變尾翼下方氣流流動方向。

文中的試驗結(jié)果和研究結(jié)論可為汽車尾翼造型設(shè)計提供氣動聲學(xué)設(shè)計指導(dǎo)，同時為鏤空尾翼氣動噪聲的優(yōu)化提供重要依據(jù)，具有實際工程意義。