风雨场条件下汽车乘员舱气动噪声数值模拟_宗轶琦.pdf
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1、18 AUTO TIMEFRONTIER DISCUSSION|前沿探讨汽车在低速行驶时,车内噪声主要是发动机噪声和路面轮胎噪声,当汽车速度超过 80km/h 时,风噪占主导地位1。风噪是一种空气动力性噪声,封闭乘员室内部的气动噪声声源项主要是偶极子声源,偶极子声源是是由车身表面湍流边界层内的扰动、表面脉动压力共同引起的。如今,越来越多学者、专家致力于对风噪的研究,他们从实验、理论分析、数值模拟这三个方面出发,在讨论汽车流场、汽车风噪分析技术和降低汽车风噪方面提供了许多新思路和要点。邹锐2运用CFD 方法对某车型进行了外流场瞬稳态仿真,稳态上分析了外流场气流流动状况及气流分离情况,机舱盖尾涡、
2、A 柱涡、后视镜尾涡的形成、发展以及对车内噪声的影响,瞬态上在 A 柱、后视镜和侧窗玻璃上选取了若干监测点,从流场与声场上具体分析了车外湍流对该区域的影响。宗轶琦3运用 LES 与 FE-SEA 方法对车内噪声进行了研究,发现了 FE-SEA 模型在 20-100Hz 能够较为准确的捕捉车内噪声响应峰值,但与实车道路试验对比,计算精度略 逊 于 FEM 模 型;在 200-500Hz 区 域,FE-SEA 模 型 相 比 于 FEM 模 型、SEA 模型、BEM 模型,计算精度最高;在 500Hz以后的高频区域内,FE-SEA 模型也能保证较高的计算精度。然而这些研究都仅限于研究汽车由于气流分
3、离产生的气动噪声,也即只考虑了由单相流工况下的气动噪声,没有考虑到多相流工况下的气动噪声,如汽车在雨天行驶时,就属于气液两相流工况,因为此时的环境变量既包括空气,又包括雨滴。这里例举一些其他机械在气液两相流工况下的响应情况。曾广志4对风雨环境下桥上城际列车的运行安全性做了研究,研究结果表明:列车和桥梁迎风侧表面附近的雨滴密度随着侧风风速和风向角的增加而增加,较之于无雨工况下,在有雨条件下列车的表面压力、侧向力和倾覆力矩系数有增大的趋势。张坻5等对输流管道的两相流噪声进行了研究,研究结果表明:由于管道中的气泡生成与发展和两相流产生的压力脉动和速度脉动是两相流噪声产生的根本原因,低马赫数下,偶极风
4、雨场条件下汽车乘员舱气动噪声数值模拟宗轶琦1陶海1沈辉1杨易2罗泽敏31.扬州大学 机械工程学院江苏省扬州市2251272.湖南大学 机械与运载工程学院湖南省长沙市4100823.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东省广州市516434摘 要:本研究以某汽车为研究对象,基于数值模拟探讨不同降雨量工况下的汽车乘员舱气动噪声声压级水平。采用 Realizable k/LES 湍流模型来模拟无雨时的单相流流场,再添加离散相模型(DPM)来模拟有雨时的两相流流场,以声类比(FW-H)方法获得了不同降雨量下车身表面各子系统的 1/3 倍频程平均输入激励,采用混合有限元-统计能量分析(FE-SEA)
5、方法获得了驾驶员耳旁气动噪声声压级水平。仿真结果表明:在 20-1000Hz 频段内,有雨工况下的驾驶员耳旁的声压级在各中心频率处都低于无雨工况,小雨工况和中雨工况下的驾驶员耳旁总声压级较为接近,大雨工况下的驾驶员耳旁总声压级最低。关键词:气液两相流乘员舱气动噪声Realizable k/LES离散相模型有限元-统计能量分析法数值模拟Numerical Simulation of Aerodynamic Noise in Vehicle Occupant Compartment in Wind-Rain FieldZong YiqiTao HaiShen HuiYang YiLuo Zemin
6、Abstract:This study takes a car as the research object,and based on numerical simulation,discusses the sound pressure level of aerodynamic noise in the passenger compartment of the car under diff erent rainfall conditions.The Realizable k/LES turbulence model is used to simulate the single-phase fl
7、ow fi eld in the absence of rain,and discrete DPM is used to simulate the two-phase fl ow fi eld in the presence of rain.The average input excitation of 1/3 octave of each subsystem on the body surface under diff erent rainfall is obtained by using the FW-H method,and the sound pressure level of aer
8、odynamic noise near the drivers ear is obtained by using the hybrid FE-SEA method.The simulation results show that in the 20-1000Hz frequency band,the sound pressure level at the drivers ear under the rainy condition is lower than that under the rainless condition at all central frequencies,the over
9、all sound pressure level at the drivers ear under the light rain condition and the moderate rain condition is relatively close,and the overall sound pressure level at the drivers ear under the heavy rain condition is the lowest.Key words:gas-liquid two-phase fl ow;aerodynamic noise of passenger comp
10、artment;Realizable k/LES;DPM;FE-SEA;numerical simulationAUTO TIME 19 FRONTIER DISCUSSION|前沿探讨 时代汽车 子声源为主要声源。杨显锋6使用 CFX 和Virtual.Lab Acoustic 模拟发动机排气管内声场,获得了管内声场在低液相体积分数下的分布规律,并搭建了发动机排气喷淋冷却模拟实验台,验证了冷却水的喷入对降低管内排气噪声的积极作用。综上所述,这些研究只考虑到了汽车在单相流工况下的气动噪声特性,而气液两相流中的流场与声场特性相对于单相流是有变化的。本研究探讨了汽车在气液两相流工况下的流场与声场特
11、性。本研究以30m/s 行驶的某汽车为研究对象,以 20-1000Hz 范围内 1/3 倍频程为研究范围,选择了合适的湍流模型和两相流模型来分别计算汽车在无雨工况时的单相流流场和有雨工况时的两相流流场,构建与车型尺寸相适应的计算域,对无雨工况和有雨工况各划分一种网格,做了网格无关性验证以保证网格的精度。对比分析了汽车在无雨、小雨、中雨、大雨工况下的流场特性,采用声类比的方法并在车身表面选取合适的监测点以得到车内噪声的输入激励。构建了整车 FE-SEA 混合模型,计算出模型需要的关键参数,获得驾驶员耳旁在不同降雨量下的声压级水平。1汽车流场数值计算方案1.1CFD 数值模拟模型1.1.1湍流模型
12、如今较为常用的湍流数值模拟方法有三种:直接数值模拟(DNS)、雷诺时均模拟(RANS)、大涡数值模拟(LES)。DNS一般只适用于雷诺数较低的湍流运动,且计算量大,需要消耗较多的 CPU 时间和内存消耗。RANS 是当今较为熟知的湍流模拟方法,其对应的湍流模型有标准k模型、RNG k模型、Realizable k模型和其他湍流模型。Realizable k模型相对于前面的两种模型精度更高,适用于旋转流动、边界层流动、流动分离等,即适用于汽车高速行驶时的流场。LES 不但能够精确求解某个尺度以上所有湍流的运动,捕捉 RANS 方法无法实现的许多非稳态,非平衡过程中出现的大尺度效应和拟序结构,而且
13、克服了直接数值模拟计算量巨大的问题7。宗轶琦3以国际标模 MIRA 模型为基础,以车身纵对称面和侧窗表面监测点静压系数为参考对象,评估了各种湍流模型,并与试验对比,结果表明 Realizable k/LES 湍流模型计算精度最高。因此,对于无雨工况,本文选用 Realizable k模型作稳态计算,以稳态计算的结果作为 LES 瞬态计算的初始值。1.1.2多相流模型根据参与流动的项的数目,多相流可分为两相流、三相流、四相流等,其中两相流最为常见8,本文研究的多相流流场包括空气和雨滴,所以属于气液两相流问题。FLUENT 中的模拟多相流的模型包括欧拉-欧拉类多相流模型和欧拉-拉格朗日类多相流模型
14、,前者连续相和离散相都采用欧拉法进行求解,后者连续相采用欧拉法,离散相采用拉格朗日法求解。本研究流场域中的雨滴体积占有率远小于 10%。对于体积分数小于 10%的气泡、液滴、和粒子负载流动,应采用离散相模型。FLUENT 中离散相模型采用的就是欧拉-拉格朗日法的计算思路。在离散相模型中,连续相介质的运动仍然由经典的 N-S 方程控制,离散相介质由独立的动量方程所控制。因此,对于有雨工况,选用 Realizable k模型作稳态计算,并以稳态计算的结果作为初始值,采用 LES 模型与离散相模型进行风雨两相流场的同步迭代计算。1.2实车模型本文所采用的实车模型如图 1 所示,该模型长 5.016m
15、,宽 1.866m,高 1.509m。为了提高计算效率,在保证计算精度的同时,简化车身主体,省去车门把手及雨刷器等附件。图1实车模型1.3计算域及网格划分计算域设置如图 2 所示,域为 11 倍的车长,7 倍车宽,5 倍车高。计算域入口距车头 3 倍车长,出口距车尾 7 倍车长。车身是一个复杂的几何体,其包含众多曲面。四面体网格适用于复杂的几何体,因此选取四面体网格作为体网格,选取三角形网格作为面网格。汽车高速行驶时,车身周围的流场常伴有涡的分离与脱落,并在车身表面形成湍流边界层,流场极其复杂,因此对车身周围 500mm 范围内的网格进行适当的加密,这可以提高湍流的计算精度。为了准确获取边界层
16、内部流动的信息,车身近壁面因采用精细的六面体网格,考虑到两相流流场计算时采用了离散相模型,应该满足网格尺寸要大于颗粒尺寸,这里的颗粒尺寸指的是雨滴直径。因此对无雨工况和有雨工况的边界层设置了不同尺寸的网格,无雨工况边界层初始高度 1mm,层数 4 层,网格增长比例为 1.2;有雨工况边界层初始高度 4mm,层数 2 层,网格增长比例为 1.2。为了准确的获取车身表面压力分布状况,对重点表面进行适当的加密,如后视镜、A柱、前侧窗等。最终无雨工况网格总数为1200 万,有雨工况网格总数为 905 万。1.4求解器及边界条件对于无雨和有雨工况,如图 2 所示,计算域入口设置为速度入口,出口设置为压力
17、出口;来流速度 30m/s;在计算域的侧面、顶面、底面采用滑移壁面,车身采用无滑移壁面。稳态计算时使用 SIMPLE算法对速度场和压力场进行耦合求解,动量选择二阶迎风离散格式;瞬态计算时使用 PISO 算法对速度场和压力场进行耦合求解,瞬态方程选择有界二阶隐式。无雨和有雨工况瞬态设置的采样时间都为 1s,时间步长为 0.0005s,最大迭代次数为 20 次。对于有雨工况,离散相模型中的颗粒相图2计算域压力出口速度入口20 AUTO TIMEFRONTIER DISCUSSION|前沿探讨边界条件包括颗粒直径、速度、雨滴释放方式、质量流率。下面说明这些边界条件的推导过程。1.5雨场参数1.5.1
18、降雨强度表 1 给出了降雨强度分类情况,其中小时雨强更能直观的反应一个地区的实时气候条件9,因此本文采用小时雨强,分析在小雨、中雨、大雨工况下的汽车流场特性和驾驶员头部气动噪声声压级水平。雨强等级日雨强/(mm(24h)-1)小时雨强/(mmh-1)小雨102.5中雨258大雨5016表1雨强等级1.5.2雨滴谱分布根据已有的测量结果,发现天然的雨滴直径一般在 0.1-6mm 之内,且服从马歇尔-帕尔默普分布(简称 M-P 谱)10:)exp()(0dNdn=(1)式中:)(dn为直径为d的雨滴数量;,I为降雨强度,单位 mm/h;0N为浓度,取常数值 8000。采用 0.5-3.5mm 范围
19、内 7 种直径的雨滴来模拟连续直径分布的降雨,见表 2。表2雨滴直径分组雨滴直径控制范围0.50-0.7510.75-1.251.51.25-1.7521.75-2.252.52.25-2.7532.75-3.253.53.25-3.75单位:mm1.5.3雨滴释放速度雨滴的释放速度包括水平速度和竖直速度,水平速度等于空气流速,为 30m/s,竖直速度为雨滴降落时的末速度mV11,公式如下:(2)(3)(4)1.5.4雨滴释放方式雨 滴 以 包 裹 面 的 方 式 释 放。根 据 式(2)、(3)、(4),直径小于 1mm 的雨滴的末速度远小于直径大于 1mm 的雨滴的末速度,为了使采样时间后
20、 0.5s 内雨滴、流场、汽车三者充分耦合,因此设置了两种释放表面位置,对直径小于等于1mm 直径的雨滴在速度入口处释放,直径大于 1mm 的雨滴在距离底面 2m 高处释放。这里例举直径为 1mm 和 2mm 雨滴的包裹面,如图 3 所示。图3雨滴释放表面1.5.5雨滴质量流率雨滴质量流率(MFR)可按下式计算。(5)式中:MFR单位 kg/s;mV为雨滴末速度;A为释放表面面积。1.6有效性验证在进行流场稳态计算时,做了网格无关性验证,以气动阻力系数为评价指标,如图4 所示。当网格数达到 905 万后,气动阻力系数为 0.283,当网格数达到 1200 万后,气动阻力系数为 0.275,网格
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