基于FLUENT和STAR—CCM+的整车气动噪声源对比

柳阳++许春铁+昝建明+李启良+王毅刚

摘要： 为对比FLUENT和STAR-CCM+在整车气动噪声源的计算精度，开展某两厢轿车的气动噪声风洞试验并进行数值仿真.研究发现：2个软件得到的整车表面总声压级分布云图较相似，各部件噪声分布特征一致，大小排序相同，但FLUENT得到的总声压级大于STAR-CCM+.FLUENT在计算测点总声压级与声压级频谱时优于STAR-CCM+，具体体现在：侧窗19个点和车身50个点的能量平均值与试验差值分别仅为0.6 dBA和-0.4 dBA，而STAR-CCM+的差值分别为3.1 dBA和1.7 dBA；两者在中低频上差异不大，但FLUENT得到中高频的声压级与试验更加接近.

关键词： 两厢轿车； 气动噪声源； 总声压级； 声压级频谱； 风洞试验； 数值模拟

中图分类号： U467.13 文献标志码： B

0 引 言

随着技术的进步和消费者要求的提高，汽车乘坐的舒适性日益重要.噪声水平的高低很大程度影响着汽车的舒适性.随着车速的提高和车内噪声水平的降低，空气与车辆相互作用产生的气动噪声不可小视.风洞试验是研究气动噪声机理和噪声控制的重要手段.随着计算机和数值方法的发展，数值仿真也成为预测汽车气动噪声的主要手段.

工程中大多采用商业流体软件实现整车气动噪声数值仿真.常用的流体软件有FLUENT和STAR-CCM+.本文作者曾使用FLUENT的LES湍流模型对单个普通后视镜表面和气动噪声进行仿真分析，给出其压力脉动特性和气动噪声影响因素.[1-2]陈鑫等[3]使用FLUENT的LES湍流模型对单个后视镜罩边缘结构对流场和气动噪声的影响展开研究，明确不同镜罩边缘结构在较大程度上影响流经后视镜罩的气流速度和流线方向，对后视镜后部流场和监测点处声压级产生较大影响.刘海军等[4]利用STAR-CCM+的LES湍流模型对后视镜非定常流场进行仿真，并采用声类比思想进行声场评估，分析流场云图和声压级频谱曲线的变化规律.整车气动噪声源数值仿真也有不少，较多采用FLUENT和STAR-CCM+的LES湍流模型对轿车外部流场进行仿真分析，获得轿车表面附近流场脉动压力数据，通过声类比方法得到测点声压级频谱.[5-8]

虽然国内首座整车气动-声学风洞于2009年建成并投入使用，但是由于试验费用昂贵，绝大多数高校和中小型企业研究人员均无法进行与仿真相对应的风洞试验，所以绝大部分发表的文献缺乏试验支撑.本文利用自身优势，有针对性地开展某车型气动噪声数值仿真和风洞试验研究，并借助风洞试验结果系统评估使用FLUENT和STAR-CCM+获得表面噪声源的精度，为后续研究提供参考.

1 试验和仿真方法

为对比FLUENT与STAR-CCM+气动噪声仿真的精度和差异，选取某两厢轿车为研究对象，并在国内首座整车气动-声学风洞中进行试验测量.

1.1 风洞试验

量产的某两厢轿车位于风洞试验段转盘处.车头正对喷口，处于无偏航角的空载工况，见图1.将表面传声器安装在侧窗19个、车身其他部位50个测试点，示意见图2.

试验采用的声学测量设备主要包括声学测量分

析仪器HEAD ACOUSTICS SQLAB III，表面传声器和B&K标准声学校准器.试验开始前后使用B&K标准声学校准器对声学测量设备进行系统校准.设定采集卡的采样频率为48 000 Hz，采样时间为10 s.为减少表面传声器自身形状对流场的影响，将69个测点分成12组，每组6个，最后一组重复第一组的3个测点，用于检测试验的可重复性.每组试验均等待风速稳定到140 km/h再开始采集数据.

计算域取8倍车长、7倍车宽和4倍车高，其中计算域进口距车头2倍车长，见图3.使用商业软件HyperMesh进行面网格划分.由于整车包括机舱、底盘等复杂部件，在划分面网格前需要完成几何简化，包括碎面合并、删除短边等.整车划分为三角形网格，最小网格位于后视镜（见图4）、格栅、门把手和雨刮处，网格尺寸约为1.5～2.5 mm；大网格位于侧窗、A柱和C柱等处，尺寸约为2.5～5.0 mm；大多数部件面网格约为5.0～10 mm，其中最大面网格为10 mm.计算域四周划分为三角形网格，尺寸为150 mm.

面网格检查无误后分别导入到FLUENT和STAR-CCM+中生成体网格.为使两者更具可比性，应保证在车身表面和地面生成相同的边界层网格.首层网格尺寸为0.1 mm，增长率为1.2，共计6层；与此同时在流动紊乱的后视镜、车底和车尾区域，设置相同的网格加密区域，且网格大小相同.

在FLUENT中，整个计算域划分为三棱柱和四面体的体网格形式，共计8 600万个的体网格.在STAR-CCM+中，使用Trim+layer策略生成计算域的体网格.Trim网格是目前汽车企业使用最为广泛的体网格，其能使除边界层网格区域外的大计算域生成为六面体网格，从而有效降低网格数.正因如此，整个计算域生成4 700万个体网格，数量较FLUENT少，计算时间更短.

计算域进口给定与试验相同的风速140 km/h，即38.89 m/s.冷凝器和散热器的压降特性来自供应商提供的试验数据.车身其他部件均采用无滑移壁面条件.在FLUENT中，利用可实现两方程k-ε湍流模型[9]获得流场的准定常解，然后使用大涡模拟计算非定常流场，其中亚格子模型选用Smagorinsky-Lilly模型[10].采用不可压缩的计算方法，其中压力与速度耦合采用SIMPLE.在非定常流动计算中，时间步长和每时间步长迭代次数按照表1设定.流动进入1.55 s后开始采集数据，共计2 500个时间步的计算结果用于数据分析.整个计算工况使用120核的刀片服务器花费8 d的时间可完成.

在STAR-CCM+计算中，由于LES无法加载多孔介质模型，所以只能选择计算精度稍差的涡分离模型.本文采用的涡分离模型在近壁区域采用k-w的SST湍流模型，其他区域采用大涡模型.除此之外，其他设置与FLUENT完全相同.整个计算工况使用120核的刀片服务器花费10 d时间可完成.