汽车风振噪声机理研究

贾志龙

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

汽车在高速行驶的过程中，打开车窗会使进入车内的气流出现紊流现象，形成压力大小不一的气团。它们之间相互摩擦和挤压碰撞，造成空气噪声，严重影响到乘客的舒适度和驾驶的安全性。根据实验可得知车辆正常行驶速度时风振噪声产生的频率范围为15～65 Hz，严重超速时会更高，容易对人耳泛音区域产生共振。当风振噪声的强度达到150 dB以上时，会产生低频共振的嗡嗡声，此时不仅严重地影响车内人员交流的清晰度，而且长时间处于风振噪声的环境对人的大脑会出现眩晕状态[1]。

湖南大学的肖朕毅、谷正气教授曾系统地阐述了风振噪声的产生机理和风振噪声对乘客的影响，同时对风振噪声的控制方法提出了建设性的意见。给研究风振噪声领域指明了研究方向[2]。

上海交通大学的黄磊继续对汽车天窗引起的风振噪声深入研究。通过研究汽车上部气流的变化，针对气团的消除，设计了两种控制方法，即安装网状挡风条和减小天窗玻璃开口面积。并着重探讨了网状挡风条对风噪的影响，在实际测试中也得到了良好的降噪效果。

研究汽车的车身整体结构对风噪的影响，对于降低风噪影响的效果更为重要。这需要对车体结构进行理论计算。在分析问题初期需要通过数值仿真技术计算汽车各个关键结构对气流的影响，并且通过实验验证提出的观点。数值计算所需投入的时间较少和资金成本较低，可以提供实验无法提供的空气流场的瞬态特性、压力梯度和湍动强度。可以分析和揭示一些实验无法了解的复杂问题和现象。

1 车厢模型的建立

本方案以轿车实际尺寸参数模型为研究对象，利用CATIA软件进行绘制三维模型，方便对后续流体动力学的研究。由于汽车驾驶员的存在是必要因素而不能简化，所以在汽车模型中加入驾驶员简易模型。同时对影响流体湍动的其他必要构件进行保留。

例如A柱、B柱、C柱，两侧后视镜、前后排头枕，汽车座椅。通过把实际车身尺寸三维数字化和精确化，并且设置打开左前车窗和左后车窗，车窗最大程度还原真实流场的变化情况。同时考虑流动的空气与汽车车厢接触的部分，其他未与气流进行交换的汽车零件进行删减和简化处理。

最后得到的整车简化模型及车厢内部模型如图1和图2所示。

图1 整车简化模型

图2 车厢内部模型

2 边界条件设置和数值求解

本计算域边界条件的设置如表1所示。风速为30 m/s，风进入汽车箱体内湍动能为0.5%，有效直径为10.285 7。风出口的压力为101 325 Pa，后车窗湍动能以实际经验取5%，有效直径与前面进口相同。

稍有不同的是计算域地板设置为移动壁面，这是因为汽车在实际行驶时地面并不存在附面层，为消除地面效应对汽车外部气体流动的影响，由文献[3]可知，采用本文的设置是可行的[3]。

表1 边界条件的设置

3 模拟结果及其分析

通过Fluent软件数值仿真计算得到汽车前后车窗开启时气流流入车厢的运动状态。通过气流的压力梯度和湍动强度比较分析，得出车内外风振噪声的原因。

图3 左前窗开启时的水平截面瞬态压力云图

通过图3所示，左前窗开启时，气流从车身外侧到车厢内部压力梯度显示为实线区域1（压力范围为-234～-300 Pa）、虚线区域 2（压力范围为 -102～-201 Pa）、短虚线区域 3（压力范围为 -36～-102 Pa）[4]。说明压力以梯度形式进入车厢内，只是在人体颈部周围引起了紊流，内部空间压力梯度线会呈现波浪状态，并没有较大的气团发生摩擦碰撞。主要是因为A柱和后视镜组成外形复杂结构。气流在此处会发生大的气流分离现象，且由于后视镜的存在，导致后视镜前部产生高压。后部产生大小不一的气团明显造成压力分布不均，车身外侧气团形成较为强烈，车厢内部空间范围相对较大，气团不易产生，气流不能有效进入车厢内部。风振噪声在左前车窗外部强烈，内部较小。

图4 左右窗开启时的水平截面瞬态压力云图

通过图4所示，左后窗开启时，空气大量流入车内箱体，压力云图显示空气形成气团，压力分布不均匀。车厢内部主要产生4个气团，一个是由于前部头枕的干扰形成的气团；一个是后车窗压力得到释放形成的气团；一个是后部头枕前形成压力梯度变化较大的气团；最后一个是在头枕与后挡风玻璃形成波及范围最大的气团[5]。正是这4个比较大的气团运动、相互摩擦和挤压，是车厢内风振噪声的主要原因。4个区域周而复始地产生气团造成了高强度、低频率的噪声，需要对这4个区域的相应结构进行优化设计以便实现降噪效果。

图5 左前窗开启时的湍动能云图

通过图5所示，前车窗开启，流体经过A柱和后视镜结构造成流体扰动较大，并且在车窗内气压低的前提下，车身外侧的空气也形成4个湍流强度大的气团，这是车外噪声最大的引起因素。4个气团依次交错，相互摩擦产生噪声[6]。

图6 左后窗开启时的湍动能云图

通过图5和图6相比较，虽然图5中气流扰动范围较大，但从图6中看出后窗开启时产生一个湍动强度较大气团。高湍动能的气团，所以开启后窗时会产生较大的风振噪声。在后排头枕处形成涡动气团，涡动能量达到最大，车内噪声主要源于此处。

通过图5和图6车身外侧气流变化发现，当左前车窗开启时，车身外侧气流波动面积和波浪程度都比开启左后车窗的程度变化较大。主要是由于左前车窗部位的特殊结构引起了空间气压变化较大，导致气流横向的扩张速度较快，变化大。

4 结论

通过上述数值分析可以得出以下结论：

a）车外最大的风振噪声来源于A柱和后视镜形成复杂结构对气流造成较大的扰动。

b）车内最大的风振噪声来源于后窗开启时后排头枕间形成湍动较大区域。

c）前车窗开启比后车窗开启对气流的影响较大。车身外部的气流形成波浪幅度较大，容易在车身外形成风振影响。

上述研究和结论为深入研究风振噪声提供了有效的技术手段，有助于研究空气在前后车窗开启时气流运动的轨迹和速度、转角等随空间与时间的变化，以及流体稳态和瞬态的运动情况，从而为基于降噪效果的车身优化设计提供了理论参考。