汽车天窗噪声的数值分析和控制

摘要：应用计算流体动力学软件fluent中的大涡数值模拟，对某汽车简化模型进行天窗噪声分析，并采用在天窗前沿增加腔体的措施来抑制天窗噪声。分析结果表明：改进后的天窗在压力场分布和监测点处的声压级上均优于改进前。

关键词：天窗；气动噪声；大涡模拟；计算流体动力学；腔体

中图分类号：U461.4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）04-0043-04

Numerical Simulation and Control of Automobile Sunroof Noise

ZHOU Yi

（Institute of Sound and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：The large eddy model of computational fluid dynamics （CFD）software FLUENT was used to simulate and analyed the aero-acoustics of a simplified vehicle sunroof.A measure by installing a cavity on the front of sunroof was used to reduce the sunroof noise.The simulated results showed that the pressure fields and sound pressure level at the receiving point of the improved model were improved than that without improvement.

Key words：sunroof；aero-acoustics；large eddy simulation；computational fluid dynamic；cavity

随着汽车技术的快速发展和用户对舒适性的追求，很多汽车都配备了天窗，它能够使车内空气有效流通，增加新鲜空气进入，为乘员带来健康、舒适的享受。但是，当汽车以一定速度行驶时，车顶上的气流在天窗开口处变得不稳定，产生了流动分离。在天窗开口前沿处产生的涡团迅速破碎或者撞在开口的后缘处破碎。同时破碎的涡团导致空气产生了压力波动，从而形成了噪声声源。由于天窗噪声的声源离驾驶员的头部很近，产生的脉动压力会使驾驶员感到烦躁不安。研究结果表明，与轿车匀速车内噪声品质相关的主要心理声学参量根据车速的不同而不尽相同［１］。例如，一辆汽车以40 km/h的速度行驶，其天窗所产生的噪声往往会超过100 dB［2］。所以在为乘员提供天窗带来好处的同时，如何减小天窗气动噪声也成为一个重要的问题。

对于天窗噪声的控制，国内外做了很多研究。在20世纪90年代，计算仿真分析刚刚应用到汽车风振噪声中，Ota等［3］即采用结构化网格和基于有限体积法的CFD代码（GOLDE）对二维汽车天窗噪声进行了仿真分析，得到了与实车道路实验相吻合的结果；Karbon［4-6］等采用非结构化网格和基于有限元法的商用CFD软件PAM-FLOW对汽车模型进行了仿真分析，得到的结果与风洞实验结果较为吻合。近年来，很多学者提出通过在天窗前沿进行改进可以有效降低噪声。如An等提出在天窗前部增加腔体［7］和导流板［8］来降低噪声，并取得了很好的效果。黄磊［9］提出在天窗前部增加网状挡风条可以有效的降低噪声，并且极大的减少了工程开发的复杂度。汪怡平［10］等提出在天窗处安装带有凹槽的导流板以及优化其安装角度，发现监测点处声压级降低了23 dB。康宁［11］等提出将天窗后移及加宽，可以降低监测点处的声压级。

本文在An等提出的在天窗前部增加腔体的方法的基础上，对腔体结构进行改进，并进一步优化车内压力场分布，降低监测点处的声压级。论文首先建立计算和几何模型，随后通过计算汽车天窗改进前后以及与An设计的天窗结构的比较说明本文方法的有效性。

1 理论与模型

1.1 基本控制方程和湍流模型

通常情况下，汽车的车速低于200 km/h，车身周围外部流动空气按不可压流体来处理，汽车外部流场可视为等温、非定常不可压流动。所以在这里采用雷诺时均三维非定常不可压Navier-Stokes（N-S）方程，其一般形式为：

（■i）t+■j（■i）t+■-?酌?驻２（■i）+■=0（■j）xj=0 （1）

式中：t为时间；ui为速度分量；p为压强；?籽为流体密度；由于此方程引入关联项?籽uiuj，需要引入相应的湍流模型来封闭方程，在本文中，采用WALE亚格子模型来进行封闭。

1.2 计算模型的建立和网格的划分

1.2.1 计算模型的建立

本文研究的对象是一款小型带天窗的汽车，在建模的时候忽略后视镜、雨水槽、排气管和门把手等复杂曲面，同时由于汽车底盘对本计算影响不大，因此将汽车底部简化为光滑壁面。模型长L=4 188 mm，宽W=1 505 mm，高H=1 075 mm，天窗厚度为60 mm，天窗大小为770×380 mm。

1.2.2 计算域的建立

计算域为包围汽车的一个长方体区域，如图1所示。具体尺寸为：车前区域为1 L，车侧围2 W，车上方为3 H，车后方为3 L，车底距地面为170 mm。

1.2.3 网格的划分

网格的划分是整个分析过程中最为重要的一步，因为它的好坏直接关系到仿真分析时所花费的时间以及仿真结果的精确性。由于汽车本身几何模型的特点，在网格划分时选择了四面体网格，它一方面可以很容易捕捉流场几何特征，同时还具有非常好的自适应性。至于网格数量，理论上来说，数量越多，计算出来的结果越精确，但仿真分析时所花费的时间也就越长。所以在控制网格数量时，要保证在可以获得精确结果的前提下，尽量减少网格的数量。因为从某种程度上来说，当网格单元小到一定程度时，再次细化网格对计算结果并不会有太大影响。