侧风下的汽车非光滑表面后视镜气动降噪研究

范伟军，陈 涛，石少亮

(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)

侧风下的汽车非光滑表面后视镜气动降噪研究

范伟军，陈 涛，石少亮

(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)

汽车高速行驶时的气动噪声严重影响汽车乘坐舒适性，研究表明仿生凹坑非光滑表面的扰流效应具有气动降噪的作用。通过以汽车行驶时常见的侧风工况为研究点，在后视镜边缘布置仿生凹坑非光滑单元结构，研究侧风对非光滑表面气动降噪效果的扰动。采用分离涡模拟（Detached eddy simulation，DES）与计算气动声学（Computational aeroacoutics，CAA）相结合的方法，在无侧风与侧风工况下进行数值模拟得到监测点声压级频谱。通过对比定常分析中A柱后视镜区域流动特征，压力云图，并结合侧窗区域监测点的声压级频谱图，探讨非光滑表面在侧风下对流场控制及气动降噪中的作用。研究结果表明侧风对非光滑表面后视镜气动降噪效果存在较大影响，并且在侧风下背风侧时非光滑表面的降噪效果最好。

声学；非光滑表面；扰流效应；气动降噪；分离涡模拟；计算气动声学

气动噪声作为汽车高速行驶时的主要噪声源，严重影响车内乘员的乘坐舒适性。随着近年来计算数值技术的发展，对汽车气动噪声的优化和控制成为了研究热点[1–2]。高速气流在A柱及后视镜区域分离引起的复杂流场运动是气动噪声产生的主要原因[3]。侧风作为汽车行驶过程中常见的自然现象，通过改变汽车A柱后视镜等汽车周围流场的结构，对汽车气动噪声的产生具有重要影响。因此侧风下的汽车流场控制研究，对降低气动噪声水平，提高汽车乘坐舒适性具有重要意义。

研究表明非光滑表面形态结构对改善流场结构，降低气动噪声具有一定效果[4–5]。杨易等以计算仿真和实验相结合的方法研究了仿生非光滑凹坑表面对流场的影响，结果表明非光滑表面在汽车车身上的应用能有效改善车尾涡流结构[6]。Xin Chen等通过将仿生凹坑结构布置在汽车后视镜罩表面，发现仿生凹坑表面能够改善流场结构，减小脉动压力，对气动降噪具有积极的影响[7]。侧风状态下的行驶作为汽车的常见工况，研究其气动噪声具有重要意义，但前人对侧风下汽车气动噪声的研究和控制主要集中在A柱等结构装饰件的优化[8–9]。在后视镜的气动降噪研究中，后视镜前脸厚度、后脸深度及后视镜罩边缘结构等关键因素对气动噪声的形成均具有重要影响[10–11]。本文从后视镜罩边缘结构出发，提出一种将仿生凹坑布置在后视镜罩边缘的方案，研究侧风对非光滑表面气动降噪的扰动。

由于计算气动声学法对网格尺寸和计算时间步的严格要求，一般气动噪声的研究以声类比法为主，本文通过采用计算气动声学的方法展开研究，提高计算精确度。首先建立标准MIRA模型分别与具有光滑和非光滑表面的流线造型后视镜装配作为研究对象。然后采用SSTk-ω模型对流场进行定常模拟仿真，得到侧风和无侧风工况下流场结构及后视镜区域压力场计算结果。最后以分离涡模拟与CAA结合得到非定常模拟下的监测点声压级曲线。通过定常与非定常模拟计算的结果对比分析，探讨非光滑表面在侧风下的扰流效应，为进一步研究非光滑表面对气动噪声的改善提供参考。

1 计算模型与方法

1.1 计算模型与侧风模拟方法

首先建立具有流线造型的后视镜模型，并在后视镜边缘布置仿生凹坑型单元构建非光滑表面后视镜模型。考虑到后期网格划分的质量要求，采用弓形凹坑结构，凹坑直径18 mm，深度7 mm，凹坑单元中心距离24 mm，建立的后视镜模型如图1所示。通过后视镜与MIRA模型装配得到如图2所示计算所用模型。

图1 后视镜模型

图2 计算模型示意图

汽车实际行驶中的行驶状态会因为路况与周围环境等因素的影响而发生改变。当行驶在开阔的路面或有风的天气下时，汽车可能会因为处于侧风环境而出现偏航角，汽车侧风下的行驶状态一般通过较小偏角进行研究。图3所示为汽车侧风仿真模拟的偏角示意图，0°和10°偏角分别模拟无侧风和侧风工况下的流动状态。侧风状态采用合成风速120 km/h，分解后约为20.8 km/h的4级和风。

图3 不同偏角示意图

1.2 网格划分与数值计算方法

本文所用的计算域如图4所示，MIRA模型尺寸以L×B×H(长×宽×高)表示，计算域总长为9L，入口距离汽车前端2L，高为5H，宽度为9B，保证足够的计算域。计算域边界条件设置如表1所示。

图4 计算域示意图

表1 计算域边界条件设置

在计算气动声学的数值模拟中，为提高计算结果准确性，保证仿真分析的置信度，本文严格按照分析软件的要求计算所需网格尺寸与最小时间步数值。由于A柱后视镜流域是气动噪声产生的关键区，因此对该区域进行网格加密处理。根据STAR CCM+中对气动噪声数值模拟的要求，以每个声波波长内至少20个单元网格进行计算，公式如下

λ为声波波长，单位m；F为关注频率,单位Hz；Δ为网格尺寸，单位m，a为声速，单位m/s。

由于网格尺寸直接影响计算模拟所能得到的频率范围。根据式（1）、式（2）的要求，按关注频率3 000 Hz，，该区域网格尺寸取4 mm。网格类型采用Trim网格，加密区域网格如图5所示。

图5 网格划分示意图

考虑到计算网格数目庞大及分离涡模拟计算的复杂性，因此非定常分析中需要考虑合理的时间步设置。Nyquist采样定律表明当采样频率大于信号最高频率的两倍时，采样的数字信号能够完整保留原始信号中的信息。根据STAR CCM+软件的要求，一般采样频率大于关注频率的15倍以更准确求解气动噪声。如式（3）所示

式中ΔtF为时间步长，单位s；F为关注频率，单位Hz。为了满足计算要求，同时提高计算精度，采用时间步长ΔtF=0.022 ms。

采样时间根据斯特劳哈尔数确定

式中f为特征频率，单位Hz；d为特征长度，单位m；v为流动速度，单位m·s-1；高雷诺数下圆柱绕流的斯特劳哈尔数约为0.2[12]。按后视镜长度300 mm及定常分析中最高流速约62 m/s计算，代入式（4）中，可得后视镜特征频率大约为41 Hz，即特征周期为0.024 s。为了充分反映流场的流动特性，采样周期设为0.2 s，约为后视镜流场特征周期8倍。

1.3 声压级监测点布置

为进一步分析侧风状态下后视镜罩边缘非光滑表面的气动降噪效果，在侧窗区域选取6个均匀分布的监测点如图6所示。

2 定常计算结果分析

2.1 流动状态分析

后视镜凸出于车身表面，高速气流在流经后视镜时会产生严重的气流分离。受流经后视镜高速气流的冲击作用，后视镜后方的低速滞留区气流作加速旋转运动，形成涡流。由于作用于侧窗表面的脉动压力是气动噪声产生的主要原因，而旋转的涡流造成的压力波动是脉动压力形成的主要原因，因此对后视镜尾涡结构的优化和控制能够改善该区域气动噪声水平。对流场的定常计算可以得到后视镜区域气流的流动状态，如图7－图9所示分别为后视镜区域在不同状态下的三维流线图。

图6 监测点分布图

图7 无侧风工况后视镜三维流线图

图8 侧风工况下迎风侧后视镜三维流线图

图9 侧风工况下背风侧后视镜三维流线图

通过比较三种状态下的流线图可以发现，由于工况及后视镜边缘结构的不同，后视镜区域的流线形态也各有差别。无侧风工况下，在后视镜内外两侧分别形成了两个涡团，由于外侧气流流速更高，外侧涡团明显大于内侧。后视镜边缘的非光滑表面对流场结构产生了一定的改变，从图7中可以看出，非光滑模型的内侧涡团的涡量明显减小，同时对外侧涡团造成一定影响，外侧涡团横向发展且涡核中心往外移动。根据图8侧风下迎风侧的后视镜区域流场结构，非光滑模型外侧涡团横向发展，但两模型涡团涡量和涡团结构变化不大。从图9中可看出，非光滑表面对侧风下背风侧的后视镜涡团结构改变较大。光滑模型与非光滑模型在后方内外侧均形成两个涡团，两侧涡团涡量差别不大。相比于原模型，非光滑模型内侧涡团体积显著减低，且涡团中心明显往后视镜外侧移动，使后视镜内侧受涡流影响减小。

综合以上对后视镜流场结构的比较，在不同状态下，非光滑表面对后视镜后方的流场均产生了一定影响，具有降低涡量并使涡团中心往后视镜外侧移动的作用，但在不同状态下对后视镜流域流场的影响不同。根据涡声理论中涡流是气动噪声产生的主要原因，后视镜区域涡团的涡量越小，涡团中心越远离后视镜内侧，对降低气动噪声水平越有利。根据以上分析，后视镜边缘布置非光滑表面对降低后视镜区域气动噪声具有积极作用，且侧风对非光滑表面的降噪效果具有一定影响。

2.2 压力场分析

高速气流在后视镜区域后方的涡流形成与压力场的负压中心存在密切联系，通过观察后视镜区域压力的改变能直观显示非光滑表面对后视镜流场扰动作用。通过在后视镜后方60 mm处作截面，对比分析不同工况下截面压力的变化情况。图10－图12分别为不同工况下后视镜区域截面压力云图。

图10 无侧风状态截面压力云图

对比图10－图12可以看出，侧风影响了后视镜区域的压力分布。以无侧风时的截面压力值为参考标准，侧风下迎风侧的后视镜区域截面压力值显著升高，而背风侧的压力值明显降低。这种压力场的改变对气动噪声的产生具有重要影响。

从图10中无侧风工况下的压力云图可以看出，光滑模型下方存在紧贴门外板的负压中心，非光滑模型在该处的负压中心面积减小，且往后视镜外侧移动。

在图11侧风工况下迎风侧的压力云图中，相对原模型，非光滑模型下方门外板位置形成了一个较小的负压中心，但总的负压中心相对往后视镜外侧移动。

图12中侧风下背风侧的压力变化较大，光滑模型在靠近侧窗表面处形成了负压值较大的负压中心，非光滑模型在该处负压值明显减小，且后视镜后方总的压力值相对更高，压力中心往后视镜外侧移动。

图11 侧风工况下迎风侧截面压力云图

图12 侧风工况下背风侧截面压力云图

通过后视镜区域压力场的分析可知，非光滑表面对不同工况下的后视镜区域压力场影响不同。由于负压中心一般是涡流形成的主要原因，因此负压中心面积减小或外移能起到改善气动噪声的作用。结合以上分析可知，后视镜罩边缘非光滑表面对后视镜区域气动噪声具有积极的改善作用，且不同工况下改善效果不同。

3 非定常计算结果分析

本文在非定常分析过程中采用CAA直接求解各监测点的脉动压力，通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Tranform,FFT）得到各监测点声压级频谱。如图13－图15所示为不同工况下各监测点的声压级频谱，图中曲线均经过A计权和1/3倍频程处理。

图13－图15中所有监测点的声压级曲线均为101个数据点的连线，为直观得到非光滑后视镜在不同工况下的降噪情况，根据式（5）求得各监测点在40 Hz～3 000 Hz内的平均降噪值，得到的数据如表2所示。

图13 无侧风下监测点声压级频谱

图14 侧风下迎风侧监测点声压级频谱

从图13－图15的声压级频谱图可以看出，不同状态下的监测点声压级水平相差较大。以光滑模型在监测点1的声压级为例，在40 Hz～3 000 Hz内，监测点1在侧风下迎风侧的声压级在50 dB～90 dB范围，而无侧风时声压级在70 dB～110 dB范围，侧风下背风侧则达到80 dB～118 dB，说明侧风对流场的改变显著影响了后视镜流域内气动噪声的水平。

综合不同工况下的监测点声压级频谱图及平均降噪情况表可看出，侧风对非光滑模型的降噪效果影响显著。无侧风工况下，非光滑模型在监测点2、3、5、6点均达到了较好的气动降噪效果，最高降噪达到5 dB左右，6个监测点的声压级平均下降3.5 dB。非光滑模型在侧风工况下迎风侧的降噪效果一般，以监测点2、5为主要降噪点，最高达5 dB左右，6个监测点的声压级平均下降1.4 dB。侧风下背风侧的非光滑模型降噪效果最好，在监测点1、2、4、5、6均有较大幅度的降噪，监测点的最高降噪超过10 dB，6个监测点的声压级平均下降6.5 dB。

图15 侧风下背风侧监测点声压级频谱

表2 各监测点平均降噪情况（40 Hz～3 000 Hz）

结合定常模拟与非定常模拟的计算结果进行分析，非光滑表面的扰流效应改变了后视镜区域流场和压力场分布，对降低气动噪声水平具有积极的影响。由于受侧风在后视镜区域对气流的扰动，非光滑表面的扰流效应在侧风下对流场的影响也存在差别，其中对侧风下背风侧的扰流效果最好，气动降噪水平最高。

4 结语

（1）侧风通过改变汽车后视镜流域内气流流动状态及压力场分布，对该流域内的气动噪声造成了较大扰动。

（2）受侧风影响，仿生凹坑表面扰流效应产生的气动降噪效果存在较大差别，在侧风下背风侧的气动降噪效果最好，最高降噪能超过10 dB，在40 Hz～3 000 Hz范围内的平均降噪达到6.5 dB。

本文在后视镜罩边缘布置仿生凹坑表面的方案对降低后视镜区域气动噪声具有一定的指导意义。本文主要研究侧风对非光滑表面后视镜降噪效果的扰动，在今后的研究工作中将对仿生非光滑凹坑尺寸，数量及位置进行研究优化，以得到更好的实用性。

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Research on theAerodynamic Noise Reduction of Car Rearview Mirrors with Non-smooth Surface under Crosswind Condition

FAN Wei-jun,CHEN Tao,SHI Shao-liang
(State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China)

The aerodynamic noise of cars at high speed greatly affects vehicle comfort.Study shows that the spoiler effect of non-smooth surface of biomimetic pits has the effect of aerodynamic noise reduction.In this study,the bionic pits and non-smooth elements are arranged on the edge of the rearview mirror.With the crosswind in the car operation condition as the research point,the perturbation of the crosswind on the aerodynamic noise reduction effect on the non-smooth surface is analyzed.Using the combined method of DES and CAA,numerical simulation is carried out to obtain the sound pressure level spectrums at the monitoring points in the crosswind condition and the condition without the crosswind respectively.By mutually comparing the airflow characteristics and pressure cloud diagrams in the region of the A pillar rearview mirror in the steady state analysis,and combining with the sound pressure level spectrum diagram of the monitoring points,the influence of the non-smooth surface on the airflow field control and aerodynamic noise reduction under the crosswind condition is detected.The results show that the crosswind has a great influence on the aerodynamic noise reduction effect of the rearview mirrors with non-smooth surface,and the noise reduction effect is the best on the non-smooth surface of the leeward side under the crosswind condition.

acoustics;non-smooth surface;spoiler effect;aerodynamic noise reduction;DES;CAA

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.022

1006-1355(2017)05-0103-06+131

2017-04-06

湖南省自然科学基金资助项目（14JJ3055）

范伟军（1992－），男，长沙市人，硕士研究生，主要研究方向为汽车空气动力学。

陈涛，男，长沙市人，副教授，硕士生导师。

E-mail:daniel_chen2004@163.com