汽车风窗噪声及风振噪声的机理及控制方法研究

摘 要：随着车辆速度的不断提高以及其他噪声的有效控制，气动噪声已成为高速车辆的主要噪声源之一，严重影响了驾乘的舒适性，同时也对环境产生了极大的污染。本文针对消费者最为关注的汽车风窗噪声和风振噪声以及噪声计算当中存在的问题提出了控制方法。

关键词：风振噪声； 气动噪声； 压力脉动

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）03-190-001

本文旨在寻求精确求解气动噪声源的计算方法，分析风窗噪声及风振噪声的特性与产生机理，探索控制风振噪声的新方法，为降低车内噪声并提高乘坐舒适性提供可靠的理论依据及有效的研究方法。为此，通过对二维圆柱模型以及三维后视镜模型的外部流场及声场计算，得出适合钝体模型外部气动噪声计算的亚格子尺度模型；为提高对近壁面流动模拟的精确度，引入壁面函数和准κ-ε-v2/LES混合求解方式，并将前者用于简易钝体模型的外部气动噪声以及汽车风振噪声计算，后者用于复杂形体――汽车的外部风窗噪声求解；针对传统天窗导流板存在的问题，提出了新型导流板，通过计算对该导流板控制噪声的机理进行了阐述，并通过风洞实验验证了该导流板的有效性；尝试采用主动控制的方法对天窗风振噪声进行控制；将本文所取得的成果应用到实际车型――“中气”轿车。

本文的主要研究内容如下：

1.低马赫数下钝体模型的外部气动噪声属于宽频带噪声，主要由表面压力脉动所引起，而表面压力脉动是一种宽频带的压力脉动，其中低频部分由大尺度的涡引起，高频部分由小尺度涡运动引起。而在大涡模拟当中，小尺度涡由于被模化（即所谓的SGS模型）而无法直接进行模拟，因此不同的SGS模型必然得到不同的压力脉动。

2.采用大涡模拟对汽车外部气动噪声计算时，由于车身表面复杂的分离流与再附着流，采用简单的壁面模型已经不能满足实际计算的要求。一种融合了雷诺平均模型和大涡模拟模型优点的RANS/LES混合模型应运而生，同时对RANS模型的选择成为决定混合模型性能的关键。针对目前常用的RANS/LES存在的问题，尝试采用三方程的κ-ε-v2湍流模型作为RANS/LES混合模型中的RANS部分，并且就κ-ε-v2存在的问题对其进行了简化。得到了能用于汽车外部流场计算的准κ-ε-v2/LES混合模型。通过与当前应用较多的混合模型、大涡模拟模型以及风洞试验结果对比，发现该模型能较为准确地预测汽车的外部瞬态流场。

3.在对低马赫数下的天窗风振噪声进行研究时，流体的可压缩性是一个不可忽视的物理特性。但是如果采用完全可压缩流体进行计算，对于马赫数如此低的流动，必将引起数值方法的刚问题，导致计算发散。为此通过引入气体状态方程，从可压缩流体的N-S方程入手，推导得出适合低马赫数下的天窗风振噪声计算的弱可压缩模型，这样既考虑了流体的可压缩性，又避免了数值计算的发散。将该模型应用到简易类车厢天窗风振噪声的计算当中，通过与实验结果的比较，证实了该方法的准确性与可行性。

4.目前在天窗风振噪声的控制采用最多的方法就是安装导流板，通过对传统天窗导流板的风洞测试发现，当速度超过一定的时候，传统导流板就失效了。针对该问题，提出了一种新型导流板。并从实验和计算仿真的角度对不同速度下新型导流板控制噪声的效果进行了评价。

5.通过对中气轿车侧窗开启时的瞬态外流场进行仿真分析，了解该车的侧窗风振噪声特性。研究不同侧窗开启，驾乘人员的个数，不同风速，侧窗开启位置对驾驶员耳旁风振噪声的影响。针对后窗风振噪声过高的情况，采取相应措施控制风振噪声。通过对天窗开启时的瞬态外流场进行仿真分析，了解该车的天窗风振噪声特性。通过安装导流板和合理开启天窗玻璃来控制风振噪声，并对导流板的相关参数进行了改进设计。通过对天窗玻璃开启的不同位置所产生风振频率进行分析，结合风振产生机理推导出能有效预测天窗风振噪声频率的经验公式。

综上所述，本文系统地对汽车风窗噪声以及风振噪声进行了深入细致的研究，对汽车气动噪声的控制研究提供了可供参考的研究思路及方法。