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原文传递汽车风振噪声特性分析及被动控制研究

论文题名：	汽车风振噪声特性分析及被动控制研究
关键词：	汽车风振噪声;被动控制;乘坐舒适性;生成机理
摘要：	随着车辆实用速度的不断提高以及机械噪声（如发动机噪声、传动噪声等）得到大量研究与较好的有效控制，风振噪声问题已日益凸显。汽车风振噪声则是汽车在行驶过程中，天窗或者侧窗开启后，流动失稳的剪切层直接与车内空气相互耦合作用而产生的一种气动噪声。风振噪声具有强度高而频率较低的特征，会使车内乘员产生极为强烈的不适感，直接影响乘坐舒适性，而长时间的风振噪声会对乘员的身心产生影响进而导致行驶安全性的隐患。因而为了提高汽车产品的品质，在汽车设计阶段对风振噪声进行高效的预估与分析是非常重要的。为此，本文开展了求解汽车风振噪声源的计算方法研究，分析风振噪声的特性与产生机理，探索风振噪声的被动控制措施，为降低车内噪声并提高乘坐舒适性提供可靠的理论依据及有效的研究方法。本文的主要研究内容如下：　　1.推导了一种新的湍流模型，即分区尺度自适应 k-ε湍流模型（zonal SAS k-ε）。在低马赫数流动条件下，尺度自适应湍流模型激发大涡模拟行为的能力不足。针对此缺点，在 Rotta原始输运方程中添加速度二阶导数，引进k3/2/ε作为湍流积分长度尺度，在不同分区内采用不同的cu和 C2ε，重新定义冯·卡门长度尺度，推导了一种分区尺度自适应 k-ε湍流模型。结合基于特征变量的无反射边界条件对计算域开放边界进行处理，构建了一种求解汽车风振噪声源的计算方法。　　以国际标准模型类后视镜作为验证物理模型，分别进行了尺度自适应湍流模拟和分区尺度自适应 k-ε湍流模型模拟。与尺度自适应湍流模型相比，分区尺度自适应 k-ε湍流模型能够准确扑捉复杂的流动结构和壁面压力脉动特性，提高了数值模拟的精度。　　采用分区尺度自适应 k-ε湍流模型对一个简易车厢的风振噪声进行了数值模拟，通过与试验结果对比后发现，分区尺度自适应 k-ε湍流模型能较为准确地预测低马赫数下简易车厢自激振荡的频率与幅值，进一步验证了数值计算方法的准确性。在保证计算精度的前提条件下，与大涡模拟相比，分区尺度自适应模拟 k-ε湍流模型能够减少对网格数的依赖，提高了计算效率。因而分区尺度自适应模拟 k-ε湍流模型能够满足汽车开发设计的高效需求。　　2.简易车厢的风振噪声的生成机理及特性研究。截至到目前，风振噪声的生成机理尚不是很清晰。为了揭示低马赫数下简易车厢风振噪声生成机理及其特性，进行了不同来流速度下的数值模拟。随着风速的增加，分区尺度自适应 k-ε湍流模型准确的扑捉了风振从高模态向低模态演变的现象。研究结果表明风振噪声是亥姆霍兹共振和声反馈共同作用的结果，频谱呈现准谐振或者谐振的特点。通过分随着车辆实用速度的不断提高以及机械噪声（如发动机噪声、传动噪声等）得到大量研究与较好的有效控制，风振噪声问题已日益凸显。汽车风振噪声则是汽车在行驶过程中，天窗或者侧窗开启后，流动失稳的剪切层直接与车内空气相互耦合作用而产生的一种气动噪声。风振噪声具有强度高而频率较低的特征，会使车内乘员产生极为强烈的不适感，直接影响乘坐舒适性，而长时间的风振噪声会对乘员的身心产生影响进而导致行驶安全性的隐患。因而为了提高汽车产品的品质，在汽车设计阶段对风振噪声进行高效的预估与分析是非常重要的。为此，本文开展了求解汽车风振噪声源的计算方法研究，分析风振噪声的特性与产生机理，探索风振噪声的被动控制措施，为降低车内噪声并提高乘坐舒适性提供可靠的理论依据及有效的研究方法。本文的主要研究内容如下：　　1.推导了一种新的湍流模型，即分区尺度自适应 k-ε湍流模型（zonal SAS k-ε）。在低马赫数流动条件下，尺度自适应湍流模型激发大涡模拟行为的能力不足。针对此缺点，在 Rotta原始输运方程中添加速度二阶导数，引进k3/2/ε作为湍流积分长度尺度，在不同分区内采用不同的cu和 C2ε，重新定义冯·卡门长度尺度，推导了一种分区尺度自适应 k-ε湍流模型。结合基于特征变量的无反射边界条件对计算域开放边界进行处理，构建了一种求解汽车风振噪声源的计算方法。　　以国际标准模型类后视镜作为验证物理模型，分别进行了尺度自适应湍流模拟和分区尺度自适应 k-ε湍流模型模拟。与尺度自适应湍流模型相比，分区尺度自适应 k-ε湍流模型能够准确扑捉复杂的流动结构和壁面压力脉动特性，提高了数值模拟的精度。　　采用分区尺度自适应 k-ε湍流模型对一个简易车厢的风振噪声进行了数值模拟，通过与试验结果对比后发现，分区尺度自适应 k-ε湍流模型能较为准确地预测低马赫数下简易车厢自激振荡的频率与幅值，进一步验证了数值计算方法的准确性。在保证计算精度的前提条件下，与大涡模拟相比，分区尺度自适应模拟 k-ε湍流模型能够减少对网格数的依赖，提高了计算效率。因而分区尺度自适应模拟 k-ε湍流模型能够满足汽车开发设计的高效需求。　　2.简易车厢的风振噪声的生成机理及特性研究。截至到目前，风振噪声的生成机理尚不是很清晰。为了揭示低马赫数下简易车厢风振噪声生成机理及其特性，进行了不同来流速度下的数值模拟。随着风速的增加，分区尺度自适应 k-ε湍流模型准确的扑捉了风振从高模态向低模态演变的现象。研究结果表明风振噪声是亥姆霍兹共振和声反馈共同作用的结果，频谱呈现准谐振或者谐振的特点。通过分析不同涡脱落模态引起厢体内的波动压力，揭示了剪切层引起的风振噪声的“锁定”特性。当剪切层失稳的单一涡模态的频率“锁定”于厢体的固有频率时，此时风振噪声最强。分析厢体内部的扰动和厢体开口涡的迁移速度，深刻的揭示了简易车厢风振噪声的特性，为分析汽车天窗和侧窗风振噪声特性垫定了基础。　　3.汽车天窗风振噪声与剪切层失稳特性分析。天窗开口剪切层的失稳特性对天窗风振噪声的产生有着非常重要的影响。在一定的来流风速范围内，对某款轿车天窗风振噪声进行了数值模拟。结果表明，天窗风振噪声只在特定频率范围内存在，剪切层最多呈现2个涡脱落模态，其中单涡模态引起的风振噪声较强。汽车天窗风振噪声是声反馈和亥姆霍兹共振共同作用的结果，而亥姆霍兹共振起主导作用，验证了基于简易厢体的风振噪声产生的机理。对于最强的风振噪声，流向上和横向上速度波动的均方根值最大，表明亥姆霍兹共振加剧了剪切层的扰动，产生的风振能量最高。采用线性无粘失稳理论分析了天窗开口剪切流的失稳和增长，剪切层流向上平均速度的分布规律满足反双曲正切函数。结合剪切层初始动量厚度和无量纲流向波动波数，通过反双曲正切平均速度型来计算速度波动的增益因子，当速度波动增益因子超过2.5时，才会引起明显的风振噪声，深入地揭示了天窗风振特性。　　4.汽车天窗开槽扰流器的降噪机理及被动控制。构建了开槽扰流器和平直扰流器风洞试验平台，通过风洞试验来调查扰流器有无开槽对其后方壁面压力场的影响。试验结果表明，相比于平直扰流器，扰流器的开槽能够将流动再附着点提前，降低壁面压力场的相干性，而且在导致风振的低频区域引起展向相位滞后分布的单调递增。在此基础上，引进现代优化算法对开槽扰流器造型进行了优化。将扰流器安装角度、开槽宽度及开槽深度定义成设计变量，通过设计实验选取20个样本点，采用 kriging模型建立近似模型，并利用多岛遗传算法进行优化设计，获得了理想的扰流器参数。相对于初始扰流器，优化后的扰流器降低了驾驶员右耳处峰值声压级25.1 dB，相比降低了21.6%，降噪效果非常明显。天窗开槽扰流器降噪机理的揭示以及扰流器的优化为天窗扰流器设计提供了参考。　　5.汽车侧窗风振噪声特性分析。对某款轿车进行了实车道路试验，发现不同侧窗开启情况下汽车侧窗风振噪声特性存在差异：单一后窗开启或者两后窗同时开启情况下风振噪声具有多谐振荡的特性；单一前窗开启或者有前窗参与组合开启的情况下风振噪声仅有单一的风振峰值。两后窗同时开启引起的风振噪声最强。通过 CFD数值模拟，从流场能量耗散的方式以及前后窗造型等角度出发，阐述了侧窗风振噪声的生成机理及特性的差异，为侧窗风振噪声的控制奠定了基础。　　6.汽车侧窗风振噪声的被动控制。通过 CFD数值模拟的方式评估了几种降低前侧窗风振噪声的措施，重点分析了前侧窗雨挡对风振噪声的抑制效果，结果发现前雨挡能够改变从 A柱脱落涡的轨迹，减少了驾驶员耳旁的脉动压力。在此基础上采用现代优化算法对雨挡造型进行优化，获得降低风振噪声的最优前雨挡造型；针对更为严重的后侧窗风振噪声问题，通过 CFD数值模拟的方式探讨了三种措施降低风振噪声的效果，最后通过道路试验的方式发现开槽扰流片能够消除后侧窗风振噪声的多谐振荡特性。这些措施均能有效降低侧窗风振噪声。　　综上所述，基于推导的分区尺度自适应模拟 k-ε湍流模型的计算方法为汽车风振特性分析提供了一种有效的数值预测手段。本文系统地对汽车风振噪声特性进行了深入细致的研究，为汽车风振噪声的工程应用研究提供了可供参考的研究思路及方法。
作者：	杨振东
专业：	车辆工程
导师：	谷正气
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文