某车型A柱风噪优化研究

王俊龚旭张涛,2陈如意,2

（1.长安汽车股份公司汽车工程研究总院；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室）

某车型A柱风噪优化研究

王俊1龚旭1张涛1,2陈如意1,2

（1.长安汽车股份公司汽车工程研究总院；2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室）

针对某自主车型侧风下出现风噪较大的问题，查找原因发现A柱设计缺陷使其在侧风下成为一个显著的噪声源。基于CFD分析方法发现，通过增加A柱装饰件和修改A柱型面，均能明显减小气流分离区。在风洞中对增加A柱装饰件的优化方案进行了由车外至车内的风噪测试，测试结果表明，该方案对侧窗表面声压级和语言清晰度有明显的优化效果。总结出A柱的设计要点及风噪的改善措施，指出在车身开发过程中必须对A柱进行侧风稳态分析。

1 前言

在样车装车阶段主观评价中发现某车型存在整车风噪大的问题，特别是在有侧风环境下尤为明显。为解决该问题，通过CFD分析原因，制定了优化方案，进行了工程可行性分析和产品设计，通过进行风洞试验，对侧窗表面声压级和乘员舱声压级及语言清晰度做了对比测试。

国内、外文献对后视镜风噪的关注和分析较多[1～7]，但是目前国内尚未发现有关A柱风噪分析及优化测试的文献，也没有研究A柱设计来降低风噪的文献。本文在此背景下通过分析和测试研究，提出了低风噪A柱的截面形状及风噪控制方法。

2 研究方法

将CAD模型导入HyperMesh中进行部件分组和面处理，以对应的网格尺寸划分网格，将面网格导入STAR-CCM＋后，建立如图1所示的求解域，求解域尺寸为11L×13W×4H，其中，L、W、H分别为车长、车宽、车高，其进口距车身前端为3L；对网格进行检查，并且提高面网格质量以避免计算发散，设置多个局部加密区后划分成约1 100万的Trim体网格单元。

设定模型入口的风速为120 km/h，侧风设置0°或10°偏角，出口为压力出口边界条件，环境温度为20℃，空气密度为1.205 kg/m3，湍流模型为Realizable K-Epsi⁃lon模型，差分格式为2阶迎风格式。Realizable K-Epsi⁃lon模型引入了与旋转和曲率有关的内容，可以有效用于不同类型的流动模拟。

模型的修改则通过使用网格变形软件进行局部变形，再重新导入软件进行部件网格替换及缝合修改，重新划分体网格进行计算。通过后处理技术，绘制总压为零的等值面来评估分离区及发现问题，并对比优化效果。

3 分析及优化

3.1 原状态分析

对原状态进行0°与10°偏角下侧风的流场计算，获得分离区如图2所示。从图2的分离区可以看出，在0°偏角下，即无侧风影响下A柱的分离区较为合理，而在10°偏角下，前乘员侧的A柱分离区相对0°偏角下明显变大，整个前排侧窗基本被分离区所覆盖，增加了噪声源区域，使乘员舱内人员对风噪的主观感受变得明显。通过CFD分析证实该车型在侧风作用下风噪变得明显，而0°偏角的常规分析难以发现A柱的风噪问题。

3.2 优化方案

如图3所示，对原方案A柱断面结构进行分析时，发现该车型A柱前沿的第Ⅰ段平面很窄，第Ⅱ段接近平面而无上扰度。同时发现其A柱的断差过大，整体断差约为22 mm，而且该A柱无密封条或装饰条，这样类似刀锋的结构非常容易使A柱气流分离而形成不稳定的涡漩，成为明显的噪声源，这些因素是导致该车型原状态风噪大的主要原因。

如图4所示，优化方案1在A柱附近增加高度×宽度为18 mm×20 mm的装饰条，该方案相当于在A柱前端增加一段平面，用于扩展第Ⅰ段平面。如图5所示，优化方案1使得0°偏角下A柱分离区减小，而在10°偏角下，A柱分离区减小相当明显。

图6为优化方案2的结构示意图，对A柱的第Ⅱ段型面进行修改，将第Ⅱ段型面向车外拉伸7 mm，通过增加A柱的上挠系数，避免A柱中间部分出现平面使气流提前分离[8]。

从图7可以看出，0°与10°偏角下，优化方案2的分离区均相对于原状态有所减小，但是优化效果明显比优化方案1要差。

3.3 优化方案叠加及计算汇总

将优化方案1（增加装饰条）和优化方案2（A柱型面优化）叠加后进行CFD分析计算，图8为原状态和叠加方案在截面Z=1 m的分离区对比图。对A柱的分离区进行测量，发现0°偏角下叠加方案的分离区减小约7.7%（长度方向ΔL%*宽度方向ΔW%），而在10°偏角下则减小约45.5%。显然，在侧风下分离区改善更为明显。

增加车速为100 km/h和140 km/h的工况，考察分离区与速度的关系，各种工况及方案下的A柱分离区汇总如表1所示。从表1可以看出，车速对分离区大小影响不明显，而车速越大A柱涡漩的强度越大，风噪亦会越大。

表1 各种工况及方案下的A柱分离区测量结果

对比叠加方案后的A柱分离区可以发现，其分离区相对于优化方案1仍有一定改善，证明优化方案1和优化方案2相互并不冲突，可以同时实施，叠加方案为最优方案。其中，优化方案1为主要优化方案，在0°偏角下分离区减小约5.8%，在10°偏角下则减小约39.5%，其优化效果比优化方案2更加明显。该车型通过优化后A柱分离区尺寸接近参考车的A柱分离区尺寸。

4 风洞试验

4.1 试验准备

由于优化方案2涉及A柱型面修改，需要修改整个侧围件，其变更成本巨大，需要等待现有模具达到使用寿命周期再进行切换实施，因此重点关注优化方案1的验证及实施。本次样车在上海地面交通工具风洞中心（SAWTC）进行测试。

4.2 侧窗表面声压级测试

采用HEAD acoustics公司的36通道采集设备SQlabⅢ和B&K公司的表面微型麦克风进行采样，驾驶员侧和前乘员侧各布置3个测点，其与车身中截面对称，如图9所示，测点L01靠近后视镜，L02处于A柱影响区，L03处于气流附着区的安静地带，离乘员舱人耳最近。

使用HEAD ArtemiS软件进行后处理，得到各个测点的总声压级如图10和图11所示，从图中可以发现，优化方案1绝大部分测点在2 000 Hz以内的声压级改进非常明显。

在车速120 km/h和0°偏角下，优化方案1驾驶员侧的3个测点相对于原状态的总声压级降低约0.9～5.6 dB（A），靠近后视镜的测点L01降低最多，其降幅达5.6 dB（A），靠近B柱的测点L03降低2.7 dB（A）；优化方案1前乘员侧的3个测点相对于原状态的总声压级降低约1.7～4.8 dB（A），靠近后视镜的测点R01降低最多，其降幅达到4.8 dB（A），靠近B柱的测点R03降低1.7 dB（A）。

在车速120 km/h和10°偏角下，驾驶员侧为迎风侧，优化方案1相对于原状态没有改善；前乘员侧为背风侧，优化方案1相对于原状态的总声压级降低约0.3～5.2 dB（A），靠近B柱的测点R03降低5.2 dB（A），该测点离乘员舱内人耳较近，对乘员的风噪感受影响明显。

4.3 车内声压级和语言清晰度测试

在风洞中依据声学-汽车车内噪声测量方法（GB/T 18697—2002），在驾驶员和前乘员左右耳处共布置4个麦克风采集车内声压级和语言清晰度。获得优化方案1的改进效果测试数据如表2所示。

表2 乘员舱内声压级和语言清晰度的优化效果

从表2可以看出，在车速120 km/h和0°偏角下，优化方案1相对于原状态总声压级降低约0.7 dB（A），语言清晰度提高约3.1%，乘员舱内风噪改善明显。4个测点的语言清晰度优化基本保证一致。在车速120 km/h和10°偏角下，优化方案1相对于原状态总声压级降低约1.0 dB（A），语言清晰度提高约5.7%，乘员舱内风噪改善明显。4个测点总声压级和语言清晰度的优化幅度从驾驶员左侧到前乘员右侧依次增加，说明背风侧的优化效果较好。结合表面声压改进来看，驾驶员侧的侧窗表面声压并没有明显改进，而前乘员侧的侧窗表面声压改进明显，从前乘员侧的侧窗表面传入乘员舱的声能量减小明显，正好对应了侧风下4个测点总声压级和语言清晰度优化程度呈现出的梯度情况。优化方案1在10°偏角下的优化幅度明显强于0°偏角，即该优化方案对侧风改善更为明显，这与CFD分析及侧窗表面声压测试结果均保持一致。

5 结束语

通过增加A柱装饰件和修改A柱型面能够减小A柱分离区，改善A柱的噪声源，使得侧窗表面声压级降低，减少传入车内的噪声量，提高车内语言清晰度，对车内噪声改善效果明显。

在后续车型开发过程中，需要关注A柱的断差和型面，必须进行侧风计算，了解A柱分离区情况。A柱设计时需要尽量降低A柱与前风挡之间的断差，将第Ⅰ段平面留足20 mm以上，第Ⅱ段需要一定的上扰度，避免做成平面。若无法保证第Ⅰ段尺寸要求，需要提前考虑安装A柱装饰件。建议在车身开发过程中对A柱增加侧风的稳态流场分析，这样并不需要进行分析周期长且消耗大量计算资源的瞬态大涡模拟分析，就能通过分离区的尺寸预测优化A柱的风噪问题。

1 Wolf-Heinrich Hucho.Aerodynamics of Road Vehicles (Fourth Edition).Society of Automotive Engineers,Inc., 1998.

2 Fred Browand,Rose McCallen,James Ross(Eds.).The Aero⁃dynamics of Heavy VehiclesⅡ：Trucks,Buses,and Trains.Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009.

3 ALAMF,WATKINS S.Pressure fluctuations on automotive rear view mirrors.SAE Paper 2007-01-0899.2007.

4 Khalighi B,Johnson J P,Chen K Het al.Experimental char⁃acterization of the unsteady flow field behind two outside rear view mirrors.SAE Paper 2008-01-0476.

5 ASK J,DAVIDSON L.The sub-critical flow past a generic side mirror and its impact on sound generation and propaga⁃tion.12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf.2006.

6 AFGAN I C,MOULINEC D L.Numerical simulation of ge⁃neric side mirror of a car using large eddy simulation with polyhedral meshes.Int J Numerical Methods Fluids.2008.

7 李启良，杨志刚，陈枫.汽车后视镜非定常流的大涡模拟.空气动力学学报，2010，28（4）:478～483.

8 王俊，龚旭，等.CFD技术在汽车车身设计中的应用.汽车技术，2013，4:14～17.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2015年6月1日。

Study on Aerodynamic Noise Optimization for a Vehicle A-pillar

Wang Jun1,Gong Xu1,Zhang Tao1,2,Chen Ruyi1,2
（1.Changan Auto Global R&D Center,Changan Automobile Co.Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

Investigation is made to a Chinese brand vehicle which has awful aerodynamic noise in cross wind environment,it is found that A-pillar design defect makes it a noise source in cross wind.It is identified based on CFD analysis method that airflow separation zone is markedly decreased by installing A-pillar garnish and modifying the A-pillar surface.Then the optimization of adding A-pillar garnish has been tested in wind tunnel,which includes the SPL (sound pressure level)test on the side window surface and in the passenger cabinet,the results show that the average SPL of test point on side window surface and the speech intelligibility index in passenger cabinet have a distinct improvement.Finally the design key points and noise improvement measures for A-pillar is summarized,the crosswind flow field analysis for A-pillar is necessary in car body design process.

Vehicle，Aerodynamic noise reduction，CFD，A-pillar

汽车整车 降低风噪 CFD A柱

U467.4+93

A

1000-3703（2015）09-0041-04