西门子基于声波分离的某轿车CFD数值模拟与验证.pdf

坚果

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2021-06-03

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基于声波分离的某轿车CFD数值模拟与验证

龚旭

，邓朝义，江岸

重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院

【摘要】利用star

ccm+软件分离涡模拟对某轿车外部瞬态流场进行模拟，并进一步采用声波分离技术，获得了轿车后视

镜、A柱附近的湍流脉动压力（TWPF）及声学脉动压力

(AWPF)。通过风洞试验对侧窗上的15个监测点的湍流压力脉动进行监测，结果表明：12个监测点的总声

压级与试验的误差在3dB之内，且在5000Hz以内的频谱与试验吻合度较高，其余3个点的总声压级与试

验的误差在4.8dB之内，且在2000Hz以内的频谱与试验较为一致。

【关键词】湍流压力脉动，声学压力脉动，气动噪声，风洞试验

Numerical Analysis and Test of CFD of Vehicle Based on the Acoustic Wave

model

Gong Xu

，Deng Chaoyi，Jiang An

Changan Auto R＆D Center,Changan Automobile Co，Ltd

[Abstract]: DES model is used in STAR-CCM+ to simulate the outer flow field of a sedan,

and then the acoustic wave model is used to get TWPF and AWPF in the vicinity of mirror

and a pillar. The comparison between simulation and test of 15 points on side window glass

shows that the disagreement of 12 points out of 15 points is within 3dB, and the spectrum

agrees well from 0Hz to 5000Hz, for the 3 points left, the disagreement is within 4.8dB, and

the spectrum agrees well from 0Hz to 2000Hz.

Key words: Aero-Acoustic, Turbulent Wall Pressure Fluctuation (TWPF), Acoustic Wall Pressure

Fluctuation (AWPF), Wind Tunnel Test

1 引言

车辆的噪声源归结起来主要为机械噪声、轮胎-

路面噪声以及气动噪声。一般在车速较低时，气动噪声水平很低，会被机械噪声、轮胎-

路面以及环境噪声掩盖。而车速达到100km/h或更高时，气动噪声的影响越来越显著，并成为最主要的

噪声源。国际知名汽车咨询公司J.D.Power的汽车满意度调查报告显示，消费者抱怨最多的就是风噪声

过高。因此研究和降低气动噪声己成为控制高速车辆噪声的关键之一

[1]

。

一般来说，因车体外部空气流动而产生的车内噪声称为“风噪”。“风噪”主要由两个激励引起：湍流

脉动压力（Aerodynamic Wall Pressure Fluctuations）和声学脉动压力(Acoustic Wall Pressure

Fluctuations)；这两种激励对“风噪”的贡献形式是截然不同的。湍流脉动压力通过与车身结构的耦合

作用，产生噪声，然后传递到人耳，而车外涡流脱落和剪切所产生的声学脉动压力是直接传递到人耳的

。目前，汽车风噪研究主要集中在车外湍流脉动压力对车内噪声的影响上，而关于车外声学脉动压力的

研究则相对较少。

本文采用分离涡模拟(Detached Eddy Simulation,

DES)方法对某轿车外部流场进行瞬态模拟，并进一步采用声波分离技术，获得了轿车后视镜、A柱附

近的湍流脉动压力及声学脉动压力。通过风洞试验对侧窗上的15个监测点的湍流压力脉动进行

监测，了解了CFD仿真结果与风洞试验结果对比的精度。

2 数值计算分析

2.1 理论基础

随着计算机水平的提高以及计算流体力学方法的逐步完善，湍流的数值模拟日益成为人们研究湍

流的一项重要工具，目前，数值预测湍流的方法有：直接数值模拟（DNS），大涡数值模拟（LES），分离涡模

拟（DES）以及雷诺时均模拟（RANS）。

DNS模拟直接用瞬时Navier-

Stoke方程对湍流进行求解，对湍流不作任何简化或近似。但是，这种方法对计算机内存空间和计算速

度的要求非常高，在现有的计算机技术条件下难以满足，因此还无法应用于实际的工程计算。RANS方法

通过雷诺平均能较准确模拟出紊流附面层内的无分离及小分离的紊流流动,

所需的计算网格数量小,耗费的计算资源及时间都较少。但对于流场存在大尺度涡的紊流流动,

这种方法得到的结果有一定的局限性。LES方法是采用Navier-

Stokes方程直接计算网格尺度大的湍流运动，小尺度涡对大尺度运动的影响通过建立湍流模型来间接

模拟。但是，大涡模拟方法对网格精度的要求也非常高，其数值模拟需要的网格一般都在几千万以上甚

至上亿

[2]

。

从上述湍流方法的模拟特征上可以看出，若在紊流附面层内采用RANS方法而在其他区域采用LES方

法, 就可以把计算时间和计算资源大大降低,

所得到的计算结果与RANS相比会有所改善。DES方法就是基于该思想，把RANS方法及LES方法结合起来

的模拟有脱体涡的紊流流场的数值模拟方法。其主要思想是在紊流附面层内采用RANS方法通过雷诺平

均假设模拟附面层内的紊流流动, 在其他区域采用LES方法模拟脱体涡运动

[3]

。

由于对气动噪声仿真是一个非稳态的过程，结合上述湍流方法的模拟特征，本文采用DES数值模拟

对汽车瞬态流场进行仿真分析。

2.2 几何模型的建立

本文使用的模型为某轿车车辆，由于模拟的是气动噪声分析工况，需要建立轿车车身模型。车身

模型保留了轿车的多数细节特征，包括格栅、密封条、门把手等；在不影响计算精度的情况下，对SUV模

型底盘部分采用了平滑处理，用简化的车轮替代了真实的轮胎结构，基本保证了模型与实车的一致。

2.3 计算域的确定

仿真采用的计算域为包围车辆模型的长方体，长约为11倍车长，其中车辆车头距计算域入口为3倍

车长；宽约为12倍车宽；计算域高约为8倍车高，如图1所示。与风洞试验对应的监测点布置于驾驶员侧

的侧窗玻璃上，如图2所示。