车速及偏航角对汽车侧窗玻璃表面风噪声的影响

王若平，王雪钊

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

汽车NVH(noise vibration and harshness)性能作为整车研发时的一项重要性能指标越来越受到消费者和汽车工程师的重视[1]。随着发动机噪声、路噪、胎噪的降低，降低汽车行驶时的气动噪声逐渐成为人们更加关注的问题。在不同的行驶车速和偏航角下，车窗表面由于流固耦合作用产生的声压级也不尽相同。当车速较高或偏航角达某一角度时，较大的风噪声会影响车内语言清晰度，干扰车内人员的正常交谈。考虑到风洞实验研究的高成本，计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)越来越多地被用来研究流体特性问题。已有研究表明，采用CFD方法在不同来流条件和道路湍流情况下求解风噪声对于研究气流状态对汽车气动噪声的影响具有重要意义[1]。王俊等[2]采用大涡模拟(large eddge simulation)研究了侧风下某车型A柱风噪优化问题,提出了A柱设计的要点和改进措施。Graf等[3]研究了有无侧向风两种工况下的车内噪声大小，发现在侧向风下背风侧的噪声明显高于无侧风时。苏晨等[4]研究了雨刮对车内噪声贡献量及优化改进措施，实验研究表明雨刮风噪声主要与发动机机舱盖的相对位置和前挡风玻璃的传递损失有关。 Swamy Mukkera采用CFD-FEM(fluent & virtual lab)联合仿真的方法，预测了车辆不同后视镜结构对车内噪声的影响水平。分析认为，新结构后视镜方案能降低17%的噪声[5]。该方法可以推广到A柱、雨刮器、空调系统的风噪分析。贾志浩[6]进行了不同湍流模型对汽车外流场声压的数值模拟，对比实验所测数据，得出4种不同湍流模型的计算精度与特点。

本文采用Catia、Hypermesh和Star-ccm+软件对两种车型进行三维建模，通过网格划分和外流侧窗玻璃表面声压级求解计算，分别研究不同车速和不同偏航角下侧窗玻璃表面声压级变化规律。根据获取的数据进行函数拟合得到曲线，并分析相关规律，得出结论。

1 车速对侧窗玻璃表面声压级影响

1.1 声压级与车速的关系

FW-H方程考虑了运动的固体边界对流体作用产生的影响，其气动噪声微分公式为

(1)

(2)

其中：ρ为流体密度；ui和uj为流体在i和j方向的速度分量；pij为应力张量；δij为克罗内克符号；ρ′为流体密度的波动量。

方程(1)右边第1项为单极子声源，其声功率大小与气流速度的4次方成正比。第2项为由于压力差所导致的力声源，称为偶极子声源，其声功率与气流速度的六次方成正比。第3项为四极子声源，其声功率与气流速度的6次方成正比。单极子声源的能量与汽车表面运动时物体表面的厚度变化有关，由于表面变化微小，故单极子声源几乎为零，可忽略不计。四极子声源能量与偶极子声源能量之比与马赫数的平方成正比[7]，如式(3)所示。

E4/E2∝M2

(3)

当汽车车速为200 km/h时，马赫数为0.16左右，因此车辆气动噪声中四极子声源所占比重较小，偶极子声源占据主要比重。

偶极子声源为气动噪声的主要声源，当接收点在较远处时，声强可以描述为

(4)

式中：V为风速;l为特征尺寸；r为接收点和声源的距离；θ为接收点到发声点的矢径方向与风速方向间的夹角[8]。由此可知，能量与车速的六次方成正比，即车速每增加1倍，车内声压级将增加60lg2≈18 dB(A)左右。

通过理论求解计算得出声压级与车速的关系，下面通过仿真验证理论的正确性。

1.2 模型的建立

1.2.1外case面模型建立

分别针对两种车型展开研究。通过建立模型并划分网格建立两种车型的外case面有限元模型。图1为车型1有限元模型，为某款小型SUV。图2为车型2有限元模型，为某款中型SUV。风噪声主要由A柱及后视镜引起，故为方便模型的建立，两种有限元模型在进气格栅及车底盘处均通过简化方式进行处理。

图1 车型1有限元模型

图2 车型2有限元模型

1.2.2生成体网格

体网格生成在Star-ccm+软件中进行。将有限元模型置于数字风洞中，通过软件自带接口进行两个软件的衔接。本文采用多面体网格，风洞模型采用同济大学声学风洞按1∶1建模，模型长22.8 m，宽18 m，高12.7 m。气流易在A柱及后视镜部位发生分离，在前侧窗玻璃表面形成分离区及再附着区。因此，分别在后视镜、A柱位置及总成外表面附加加密区以捕捉关键部位的流体状态。 在远离车体的空间选用大尺寸网格参数以减少网格及节点数量。车辆静止放置于风洞中，为更好地模拟车身表面气流梯度变化规律，设置5层六面体边界层，厚度共为7.2 mm，边界层增长率为1.2。风洞地面边界层为5层，厚度为70 mm、增长率为1.2。选取表面声压级最大值作为特定速度下的参考声压级。图3为车型1置于风洞中生成的体网格沿纵向对称面(y=0)的剖切示意图，共生成 3 154 639个体网格。车型2置于风洞中，共生成 3 010 593个体网格。

图3 车型1体网格纵向剖视图

1.2.3数值求解

采用RANS法、k-ε湍流模型进行湍流数值模拟。该方法对非线性的N-S方程进行了时间上的平均化处理，故有效避免了时间与空间的影响，降低了对计算量及计算机资源的要求。风洞入口流速为20～120 km/h，以10 km/h的间隔递增，每个车型计算11组数据。采用静压出口，出口压力为0 Pa。选取2阶对流格式，固定壁面取无滑移(No-slide)边界。

1.3 计算结果分析

边界条件及物理模型设置完毕后，在Star-ccm+软件中计算得车身表面压力云图。采用Core宽频噪声源模型进行后处理得到驾驶员左侧窗玻璃表面声压级云图。计算两种车型相关参数，共得22组数据，选取声压级云图中最大声压级作为参考声压值。车型1及车型2参考声压级数值见表1。

表1 车型1侧窗玻璃表面声压级

表2 车型2侧窗玻璃表面参考声压

车型1在60、90、120 km/h速度时，侧窗玻璃表面声压级云图如图4～6所示。

将两车型各速度下侧窗玻璃表面声压级与对应的车速进行拟合得出折线图，如图7所示。

图4 60 km/h时车型1侧窗玻璃表面声压级云图

图5 90 km/h时车型1侧窗玻璃表面声压级云图

图6 120 km/h时车型1测玻璃表面声压级云图

图7 两种侧窗玻璃表面声压级随车速变化曲线

从图7可以看出车型1、2具有相似的曲线趋势。在中低速时曲线斜率相比高速时大，可见风噪在低速时的增长速度较快。当车速达到80 km/h时，声压级为77 dB左右，影响车内人员的正常交谈。两种车型在相同速度下的声压级趋于相近，说明仿真数据及结果具有可信性、一般性。式(1)表明，随着速度增加50%，声压级增加12 dB，而速度增加1倍，声压级则增加18 dB左右。取图3中80、120 km/h时对应的表面声压级为77.5、88.9 dB，差值为12.4 dB。取图3中30、60 及120 km/h时对应声压级分别为52.4、71.6和89.8 dB，差值为19.2与19.8 dB。仿真结果与理论上的误差可能是由网格尺寸设置、边界条件设置等原因所致。汽车在中低速行驶时并未严格遵循一定规律，此时发动机噪声及胎噪、路噪在整成噪声中仍占据主要比例。

2 偏航角对驾驶员侧玻璃表面声压级影响

在实际行驶过程中，受道路和环境状态影响，譬如弯道、路桥、开阔路面和有风天气，车辆可能出现偏航角或者处于侧向风的环境中[2]，因此对偏航角的研究具有重要意义。

偏航角的定义遵循“顺正逆负”的规律。当车辆置于风洞中沿顺时针方向转动10°时，表示+10°的偏航角，此时迎风侧为主驾驶员位置，背风侧为副驾驶员位置。图8为偏航角为+10°时的气流来流与车身位置的关系图。通过在商业软件Star-ccm+中计算稳态侧窗玻璃表面声压级，研究其随偏航角的改变，并通过比较迎风侧和逆风侧声压级大小，探究两侧声压级存在的规律和比较有无偏航角状态下的声压级大小。

图8 +10°偏航角时气流来流与车身的位置关系

为验证研究内容具有准确性和一般性，仍采取车型1与车型2作为研究对象。汽车在120 km/h速度下行驶，自然风速一般不超过10 m/s。当侧风垂直于汽车纵向轴时，偏航角β=arctan0.3，约为17°[10]，取最大偏航角度为20°。车身外Case面模型为左右对称，故只需研究正或负偏航角。因此，计算工况设定为120 km/h行驶速度下+5°、+10°、+15°、+20°偏航角，其他边界条件不变。

应用汽车外流场数值模拟的方法研究侧风作用下汽车周围流场的形成机理与特点可以直观地认识流场各处速度、压力分布、分离和涡流的产生及发展情况,对于深入分析侧风特性具有重要意义[10]。取零偏航角、风速120 km/h为base状态，研究无偏航角情况下车身表面压力及流体分布状态，在相同边界条件下计算得出各偏航角下车身表面压力云图。图9为base状态下车身表面压力分布云图。

图9 Base状态车身表面压力分布云图

由图9可知:无偏航角时，车身表面压力及速度矢量分布沿纵轴对称，在A柱、后视镜及前挡风玻璃和车顶交界处呈现明显的负压区。这是由于气流以高速流过该区域时，表面凸起或气流运动平面的改变在此处产生分离区所致。流体速度矢量云图为车身表面流体流动方向及大小的表征，可以准确地反映流体的流动及分布状况。图10为base状态下车身周围流体的速度矢量云图，可以看出在A柱及后视镜形成两边对称的涡流，车门和底盘也存在较小的涡流区域。

图10 Base状态下速度矢量云图

车型1在各偏航角下的车身表面压力分布云图见图11。有偏航角时，车身的侧偏破坏了无偏角时车身外流场的对称性，在迎风侧面近车身处气流速度较大[11]。由图11可知，各偏航角情况下背风侧 A柱及后视镜表面压力较其他区域小700～1 000 Pa。负压区的存在会造成流体的抽吸，形成涡流。涡流的存在会形成声源和风噪声。随着负压中心区域面积的增加，风噪声会越来越大。车型1的Base状态及各偏航角下迎风侧、背风侧侧窗玻璃表面声压级云图如图12所示，其中左为背风侧，右为迎风侧。

图11 不同偏航角车身表面压力云图

图12 各偏航角下两侧窗玻璃表面声压级云图

Base状态下，左右车窗表面声压级分布情况一致，最大声压级点均分布在后视镜下缘后侧。随着偏航角的增大，背风侧最大处声压级从base状态到+20°偏航角时分别为86.736、89.339、89.256、90.145、91.567 dB。由此可以得出：随着偏航角的增大，车型1的背风侧声压级最大值存在逐渐增大的趋势，但增大声压级并不是很明显。分析5种状态下背风侧次声压级分布状态发现，随着偏航角的增大，次声压级分布呈现自侧窗上侧逐渐下移的趋势。迎风侧最大声压级从base状态到+20°偏航角时依次为86.736、82.134、79.155、78.036、78.231 dB。

同理，分析车型2分别得出背风侧和迎风侧最大声压级。将车型1、2的背风侧和迎风侧参考声压级值拟合在一起得到图13所示的背风侧及迎风侧声压级拟合曲线。

图13 背风侧及迎风侧声压级拟合曲线

由图13可知：车型1和车型2在120 km/h匀速行驶、存在偏航角的情况下，迎风侧前侧窗玻璃表面声压级随偏航角增大而减小；在背风侧，车型1侧窗表面声压级最大值随偏航角的增大而增大，而车型2在偏角达到20°时，侧窗表面声压级最大值呈现下降的趋势。这说明背风侧声压级变化并未遵循一定规律，需单独考察。为了更好地观察车型2偏航角大于20°时侧窗表面声压级的变化情况，本文进一步研究车型2在25°偏航角时，其侧窗表面声压级的分布情况，结果如图14所示，最大声压级出现在后视镜后附近，大小为88.9 dB，仍小于20°偏航角时的90.6 dB。

图14 +25°偏航角时背风侧车窗玻璃表面声压级云图

为研究出现该趋势的原因，分析车型2背风侧侧窗玻璃在+5°、+10°、+15°、+20°、+25°偏角下气流在X方向上的涡量云图，如图15所示。由图15可知：侧窗后视镜后出现最大声压级处涡量值分别为21 082、26 529、38 146、29 751、20 311 s-1。图15的拟合曲线表明涡量曲线图趋势与声压级随偏航角变化趋势一致，说明车型2的侧窗声压级随行驶偏航角的增大呈先增大后减小的趋势，偏航角15°时出现最大声压级，且声压级大小与气流形成的涡流量有关。

图15 涡量变化曲线

3 结论

1) 随着车速的升高，两款车型风噪声均不断增大，但增长速度逐渐变慢。当车速超过80 km/h时已超过人们在车内正常交流的声压级75 dB。

2) 不同偏航角下迎风侧和背风侧侧窗玻璃表面声压级不尽相同。迎风侧声压级随偏航角的增大而减小，达到某角度时趋于稳定值不再变化。背风侧声压级随偏航角增大而增大，偏航角过大时可能出现声压级减小的情况。总体来说，存在侧向风时，汽车行驶车内风噪声会增大。

3) 侧窗玻璃表面声压级的大小与气流流过后视镜在侧窗附近形成的涡流量有关，涡流越大声压级越大。

4) 在研究风噪声随偏航角变化的过程中，未分析造成背风侧声压级出现减小的后视镜造型问题，将在后期做进一步研究。