0 引言

當行駛中的汽車在天窗或側(cè)窗打開時，車內(nèi)通常產(chǎn)生強烈的轟鳴聲，這種噪聲被稱為風振噪聲。天窗打開的汽車在氣流中運動，車身表面存在一層不穩(wěn)定的氣流剪切層，剪切層遇到天窗前部邊緣處，車身表面的漩渦脫離車身并隨著剪切層氣流向后運動。當漩渦碰到天窗的后邊緣時，漩渦破裂并產(chǎn)生向四周擴散的壓力波。傳到車外的一部分壓力波到達開口的前緣，將再次引發(fā)渦旋的脫落。這個過程每秒鐘會重復很多次，并且引起剪切層產(chǎn)生一個特定的振動頻率，如果這個頻率與車廂的固有頻率相同，將會發(fā)生共振，這種類型的共振稱為亥姆霍茲共鳴。

 

本文針對某乘用車存在的天窗風振噪聲問題，利用 CFD 方法對其進行仿真分析，并與道路試驗結(jié)果進行對比，驗證了數(shù)值仿真分析的有效性。通過對比天窗擾流板不同高度和傾角度的天窗風振噪聲，總結(jié)了擾流板高度和傾角度對天窗風振噪聲的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了導流板的改進建議。

 

1 汽車風振噪聲產(chǎn)生的機理

汽車在低速行駛時，開啟天窗的過程伴隨著風振噪聲的產(chǎn)生。開窗的車身聲腔可以看成是一個赫爾姆茲諧振腔,則赫爾姆茲諧振腔的頻率可以由公式（1）表示。

 

 

 

其中 f 為諧振腔的頻率，c 為風速，A 為諧振腔的開口面積，V 為諧振腔的容積，l 為諧振腔的開口高度?？梢娗惑w的共振頻率取決于車速、開口大小及腔體的空間大小。

 

2 初始模型天窗風振分析

2.1有限元模型建立

計算模型為某 SUV 乘用車，把外飾模型（如圖 1（a）所示）和內(nèi)飾模型（如圖 1（b）所示）按 1：1 的比例導入到 HyperMesh 中建立三維模型，對車身模型進行處理，分析模型基本包括所有對天窗風振有影響的部件。

 

 

圖 1 計算模型

 

在模型外部建立一個長方體計算域，模擬汽車周圍的空氣流動，如圖 2 所示。計算域長度為9 倍車長；寬度為 6 倍車寬；高度為 4 倍車高。

 

 

圖 2 計算域

 

對面網(wǎng)格進行檢查和修復后生成體網(wǎng)格，對體網(wǎng)格進行適當加密，可以有效提高計算的精度，尤其是天窗區(qū)域等容易引起氣流分離的部件，網(wǎng)格加密如圖 3 所示。監(jiān)測點為駕駛員右耳。

 

 

圖 3 網(wǎng)格加密側(cè)視圖

 

2.2 邊界條件設定

計算采用顯示 PowerFLOW 全瞬態(tài)分析方法，設定入口速度 60km/h；出口為壓力出口邊界，出口壓力為 0；地面為滑移壁面，速度為 60km/h；汽車表面為壁面邊界，壁面為絕熱非滑移壁面。

 

2.3仿真結(jié)果及分析

觀察整車天窗風振噪聲結(jié)果聲壓級曲線圖（圖 4），由圖可知，初始模型天窗共振頻率在19.98Hz，峰值在 100 dB。

 

 

圖 4 聲壓級曲線圖

 

觀察天窗區(qū)域壓力云圖（圖 5），氣流經(jīng)過天窗擾流板上緣后，形成強大渦流，直接打在天窗后緣，產(chǎn)生向四周擴散的壓力波，從而形成共振噪聲。

 

從云圖上可知，天窗擾流板對氣流的導流作用效果非常明顯，為了改善天窗風振噪聲，合理地設計擾流板可以將氣流向后導流，避免氣流直接打在天窗后緣。直接影響擾流板導流效果的關(guān)鍵因素是擾流板的垂直高度和傾角度，因此后期進行參數(shù)化研究時主要從這兩個方面選取參數(shù)。

 

 

圖 5 天窗區(qū)域壓力云圖

 

2.4仿真與試驗對比

觀察仿真與道路試驗結(jié)果對比圖（圖 6），仿真與測試結(jié)果高度一致，峰值相差在 6dB(A)以內(nèi)，且峰值對應的共振頻率一致。誤差在控制范圍以內(nèi)，說明本次數(shù)值仿真分析方法的有效性和準確性。

 

 

圖 6 仿真與測試結(jié)果對比

 

3 參數(shù)化設計分析

3.1設計參數(shù)選取

擾流板的垂直高度和傾角度是直接影響擾流板導流效果的關(guān)鍵因素，因此選取擾流板的高度和傾角度作為設計參數(shù)，參數(shù)示意如圖 7。

 

 

圖 7 參數(shù)示意圖

 

由于整車造型要求及零件結(jié)構(gòu)設計的限制，各個設計參數(shù)均需要滿足一定的設計范圍要求，擾流板高度參數(shù)選取見表 1，擾流板傾角度參數(shù)選取見表 2。

 

表 1 擾流板高度參數(shù)選取

 

 

表 2 擾流板傾角度參數(shù)選取

 

 

3.2設計樣本計算結(jié)果及分析

在擾流板傾角度保持不變的情況下，對擾流板高度進行參數(shù)化分析，對擾流板高度分別為45mm、50mm、55mm、60mm、65mm 時進行數(shù)值仿真。仿真分析結(jié)果如圖 8 所示，由結(jié)果可知，擾流板的垂直高度越大，越有利于天窗風振噪聲的抑制。

 

 

圖 8 仿真優(yōu)化與風洞試驗結(jié)果對比

 

在擾流板垂直高度保持不變的情況下，對擾流板傾角度進行參數(shù)化分析，對擾流板傾角度分別為 15°、25°、35°、45°、55°時進行數(shù)值仿真。仿真分析結(jié)果如圖 9 所示，由結(jié)果可知，擾流板的傾角度小于 35°時，隨著角度的增大，天窗風振噪聲越大；擾流板的傾角度大于 35°時，隨著角度的增大，天窗風振噪聲越小。

 

 

圖 9 仿真優(yōu)化與風洞試驗結(jié)果對比

 

4 結(jié)論

通過整車三維建模對某乘用車型進行了天窗風振噪聲數(shù)值仿真分析，全面評價了本車的風振噪聲水平，找出潛在的優(yōu)化改進區(qū)域，并對影響天窗風振噪聲的關(guān)鍵因素進行參數(shù)化研究，為后續(xù)車型的天窗擾流板設計提供數(shù)據(jù)支持。

 

(1)通過對初始模型進行天窗風振噪聲仿真分析，發(fā)現(xiàn)影響天窗風振噪聲的主要因素是擾流板的垂直高度和傾角度。

(2)通過對比數(shù)值仿真分析與道路測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿真與測試結(jié)果高度一致，可認為本次仿真分析方法的有效性和準確性。

(3)對天窗擾流板的垂直高度進行參數(shù)化研究，發(fā)現(xiàn)擾流板垂直高度越大，對改善天窗風振噪聲效果越有利。

(4) 對天窗擾流板的傾角度進行參數(shù)化研究，發(fā)現(xiàn)擾流板傾角度為 35°時，天窗風振噪聲最大。

 

資料來源：達索官方