0 前言
汽车是一个包含了很多复杂总成的动力机械，根据噪声源的不同，可以分为发动机噪声、轮胎噪声、传动系统噪声以及气动噪声，各种噪声具有不同的频率峰值，组合在一起形成复杂的噪声源。相关研究表明，在汽车刚刚启动以及车速较低的情况下，发动机、传动系等动力系统会成为主要的噪声源；当车速接近lOOkm/h的情况下，轮胎噪声逐渐凸显出来，成为主要噪声源；当车速达到100km/h后继续加速，这时气动噪声会急剧增大，超过动力系统噪声和轮胎噪声，成为主要噪声源。
如图1为汽车表面气动噪声源分布图，从图中可以看出气动噪声源主要分布在发动机罩顶部、车轮轮罩部位、A柱以及侧窗后视镜区域。由于后视镜侧窗区域气动噪声更容易直接传入车身内部而影响驾驶员的驾驶舒适度，因此有必要对汽车后视镜气动噪声问题进行研究。本文将对带后视镜某轿车模型匀速及加速行驶的工况进行数值模拟，研究后视镜对车外脉动流场及侧窗区域气动噪声的影响。
图1 汽车表面噪声源分布
1 流场计算方案及流动控制方程
1.1 流场计算方案
本文对两种行驶工况进行计算：匀速和加速行驶。其中匀速行驶车速为90km/h、121.8km/h；加速行驶初速度为120km/h，加速度为5m/S2，加速时间为0.1s，加速后的速度为121.8km/h。由于计算时间限制，仅计算了0.1s。
为缩短计算时间，对匀速工况采用如下三阶段流场计算方案：第一阶段（定常流场阶段），采用Realizablek-ε湍流模型进行定常计算，使计算域内流动情况接近于汽车平稳行驶情况；第二阶段（非定常流动阶段），当第一阶段计算接近收敛时，用同样湍流模型进行非定常流场计算；第三阶段（脉动流场阶段），采用LES大涡模拟湍流模型对匀速行驶的脉动流场进行计算，以便得到接收点处脉动压力，进行噪声分析。
对于加速行驶工况，在初速度120km/h匀速行驶第一和第二阶段计算结果基础上，采用LES大涡模拟湍流模型对加速行驶脉动流场进行计算。加速行驶过程设定一个变进口速度，其他参数均与匀速行驶第三阶段相同。
1.2 流动控制方程
对空气来说，当马赫数Ma<0.3时，车身周围外部流动可按不可压外部流动处理，汽车在行驶过程中的外部流场可视为等温、非定常不可压缩流动，且空气介质的物性参数为常数。非定常不可压N-S方程组为：
连续方程：
动量方程：
式中V为速度矢量，p为压力，ρ为气流密度，μ为动力粘性系数
2 流场计算模型
2.1 几何模型及计算区域
由于进行噪声计算时对计算机硬件的要求较高，所以在不影响计算精度的前提下，本文对采用的某汽车几何模型进行了相应简化处理，对车身部分省略了门把手、雨刮器、前格栅等，对底盘部分采用了平滑处理，并用简化的车轮代替了真实的轮胎结构，基本保证了模型车与实车的一致性。经简化后安装有后视镜的某汽车几何模型如图2所示。
图2 带后视镜某轿车模型
数值模拟的一个比较重要过程就是将无限信息系统变为有限信息系统，即离散化过程。而在实际的操作中，实现空间的离散化就是网格的生成，因此就要定义一个生成网格的空间，这就是计算区域。当汽车在道路上行驶时，除了与地面接触以为，并没有所谓的限制空间，因此为了使计算结果更接近于汽车行驶的真实环境，对计算区域的基本要求是：计算区域的边界不能对流场形成干涉，也就是说受到车辆影响的流场完全包括在计算区域内。本文选定的计算区域为长方体，此外，由于车身结构近似于对称结构，本文使用半车身模型对外流场进行模拟计算。如图3为本文所采用计算区域示意图，并根据相关文献设置计算区域的大小为：8倍车长，5倍车宽，5倍车高。其中流场入口距离汽车前缘2倍车长，压力出口距离汽车后缘5倍车长。由于后视镜的中截面一般都和人耳在同一平面上，所以采集的数据点主要集中的中截面附近，选取侧窗表面上的4个点作为监测点，沿x向均匀分布，间距为0.1m，如图4所示。
图3 计算区域示意图
图4 监测点位置
2.2 网格划分及边界条件设置
由于模拟中重点关注的是后视镜区域产生的噪声，为了保证计算流场有必要的分辨率和准确度，计算节点总数必须达到一相当大的数量，因此需对后视镜表面网格进行局部加密，如图5为后视镜表面网格；同时为了保证网格质量，侧窗表面、驾驶室前风窗、顶部和后部采用渐变式网格划分；同时为了有效模拟汽车外表面的流动特性，需要在车身外表面生成附面层，为了准确模拟车身外表面的附面层，在车身外表面拉伸出的附面层网格必须满足壁面函数Y+<1的需求，如图6为本文模型车壁面Y+值分布图，由图可知模型车的附面层网格满足壁面函数Y+<1。
图5 后视镜表面网格
图6 模型车壁面Y+值
本次模拟的边界条件设置如下：
①速度入口（Velocity Inlet）：位于汽车前缘2倍车长处，匀速行驶时的速度大小为90km/h、121.8km/h，以及加速行驶时的速度大小需通过自定义场函数来实现，根据计算方案定义加速行驶时入口速度大小为120+18*Tim/3.6。
②压力出口(Pressure Outlet)：位于距离汽车后缘5倍车长处，出口压力值为标准大气压，静压为零。
③计算区域车身对称面设置为对称边界(Symmetry)；计算域侧面、顶面设置为滑移壁面边界(wall，slip)；车身表面及地面设置为非滑移壁面边界(wall，no slip)。
3 匀速行驶计算结果分析
由于用大涡模拟计算脉动流场，所以时间步长大小是决定模拟结果的一个重要因素。经验表明，当频率超过5000Hz时，表面脉动压力和远场噪声能量均己相对较小，可取计算值的最高频率为5000Hz，时间步长*<1/f =1/5000=0.0002s，为满足这一要求，根据采样定律，采样频率就大于或等于0.0001s，每一步记录一下接收点压力，共计算1000个时间步，计算总时间为0.1s。
3.1 接收点处流速
图7和表1分别为两种车速下第三阶段结束时车身表面速度分布图及测点处的流速大小。以point1为例，两种速度下接收点的流速，90km/h速度下为10.5m/s，121.8km/h速度下为14.6m/s，增加了39%。由图表中各测点的仿真值可知车速越高，同一接收点处流速越大。
图7 车身表面速度分布图
表1 两车速下各监测点流速（m/s）
3.2 接收点处压力
图8及表2分别为两种车速下第三阶段结束时车身表面压力分布图及测点处的压力大小。同样以point1为例，在接收点处，90km/h速度下压力为-125.3Pa，121.8km/h速度下压力为-240.5Pa，下降了115.2Pa。由图表中各测点的仿真值可知车速越高，同一接收点处压力越小。
图8 车身表面压力分布图
表2 两车速下各监测点压力值(Pa)
3.3 气动噪声分析
图9为两种车速下监测点pointl处声压级与频率关系曲线。随着频率增加，90km/h速度下接收点处声压级约从123dB开始下降，最后约在40dB上下波动；121.8km/h速度下接收点处声压级约从124dB开始下降，基本上在46dB上下波动，增大了6dB。由此可见，车速越高，整个频域内脉动压力级整体上越大。
现实生活中，人耳并不是接受到单一频率下的纯音，而是噪声源发出的各个频率下声音的综合作用，因此，需要对各个测点处的总脉动压力级进行分析才能有效的说明问题。在得到脉动压力频谱分析的基础上，将各个频率的脉动压力级迭加起来可得到总的脉动压力级，如表3所示为各测点的总脉动压力级。从表中可以看出，车速越高，同一测点处总脉动压力级越大，即气动噪声越大。
图9 point1处声压级频域图
表3 两车速下各监测点总脉动压力级(dB)
4 加速行驶计算结果分析
4.1 接收点处流速
图10和表4分别为加速0.1s后车身及后视镜表面速度分布图及测点处的流速大小。以point1为例，加速0.1s后，空气流速约为15.4m/s，与121.8km/h匀速情况相比，流速大了0.8m/s。可见，同一速度下，加速运动比匀速运动接收点处的流速大。
图10 加速0.1s后车身表面速度分布图
表4 加速0.1s后各监测点流速(m/s)
4.2 接收点处压力
图11和表5分别为加速0.1s后车身及后视镜表面压力分布图及测点处的压力大小。以pointl为例，加速0.1s后，接收点压力约为-247.4Pa，与121.8km/h匀速情况相比，压力小了6.9Pa。可知，同一速度下，加速运动比匀速运动接收点处的压力小。
图11 加速0.1s后车身表面压力分布图
表5 加速0.1s后各监测点压力(Pa)
4.3 气动噪声分析
图12为汽车加速过程中pointl处声压级频域图，在加速过程中，脉动声压级同样随频率增加先减小，最后在某一值附近上下波动。脉动声压级随频率的增加从128dB开始下降，并在2000Hz以上变化缓慢，基本上在50dB左右波动，比121.8km/h匀速行驶大了约4dB，同时加速时该接收点处总声压级为135.2dB，比匀速工况总声压级高3.3dB。可知，在同一行驶速度下，加速行驶比匀速行驶在整个频域内脉动声压级整体上要大，总声压级也大。
图12 point1处声压级频域图
表6 加速0.1s后各监测点总脉动压力级(dB)
5 结论
匀速行驶车速越大，接收点处流速越大，压力越小，脉动压力的脉动幅度越大，整个频域内脉动声压级整体越大，总声压级也越大；在同一行驶速度下，加速行驶状态比匀速行驶状态在接收点处的流速要大，压力要小，整个频域内脉动声压级整体上要大，总声压级也要大。
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本文标题：行驶状态对汽车后视镜气动噪声影响的研究
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