ANSYS Fluent汽车气动噪声分析与案例

一、引言

在过去的几年里，汽车产业一直蓬勃发展，并在许多方面经历着本质的、革命性的变化。提高燃油效率、减少环境污染是政府、行业市场和消费
者共同的要求。然而，随着汽车的类型，款式和技术的演变，客户的需求也在不断的变化，对汽车在燃油效率，安全性，舒适性方面的要求不断
提高。NVH为其中一种用来评价汽车舒适性的指标，并且受到越来越多消费者的重视。

二、NVH定义

NVH是Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度，也可通俗的理解为不平顺性）的总称。NVH中的N，及噪音（Noise）
，是很多消费者关注的指标，甚至可能成为购车选择中的决定性因素。通常来说，不同的消费群体对于噪声的要求也是不同的。家用车消费者往
往更倾向于一个宁静舒适的车内空间。当前家用车气动噪声问题已日趋普遍和突出。

三、技术挑战

虽然自从Lighthill开创气动声学已有半个多世纪，但是由于气动声学方程的复杂性，在很长一段时间内都无法实现气动噪声的准确计算。传统测
量噪声的方法主要依赖实验来实现。随着计算流体力学和声学计算方法的成熟，数值计算正在成为解决气动噪声问题的主要工具。ANSYS
Fluent帮助汽车制造商在产品设计时加入外气动仿真，提高未来汽车制造中的竞争优势，开发不同的产品以满足不同的客户需求。

汽车外部噪音分源　　　　　　　　　　　　　　汽车后视镜涡流区

汽车行驶速度不断提高，但由于气动噪声的数值与车速的六次方成正比，及速度每增加一倍，气动噪声将增加18dB左右，因此，汽车产生的气
动噪声显得十分突出；这是由于汽车外形存在大的拐角、截面变化和各种突出物，气流容易发生分离，形成复杂的非定常流，引发汽车表面空气
层极大的压力脉动，从而产生气动噪声。该噪声成为影响车内乘坐舒适性和的重要因素。汽车外形的复杂性以及气动噪声的产生和传播的复杂性
，导致对气动噪声产生的机理认识和控制还有一定的难度。

根据噪声源的发生机理，汽车噪声主要有两类：机械噪声和空气动力学噪声。而汽车在高速行驶时，空气动力学噪声变现的尤为明显。空气动力
噪声是由于气体流动中的相互作用或与固体间的作用而产生的，包括空气通过车声缝隙或孔道进入车内而产生的冲击噪声、空气流过车身外突出
物而产生的涡流噪声。空气与车声的摩擦声三个方面。其中后视镜引起的噪声是汽车空气动力学噪声的重要组成部分。

四、气动噪声源种类

单极子噪声源：可看作振动质量的点源，其声功率与流场平均流速的四次方成正比。
偶极子噪声源：由压力脉动引起的声源，其声功率与流场平均流速的四次方成正比。
四极子噪声源：来源于湍流的剪切应力，其声功率与流场平均流速的八次方成正比。

由于气动噪声中的四极子声源与偶极子源噪声强度之比正比于马赫数的平方，而地面运载工具（比如汽车在较高速度180KM/h时，其马赫数也仅仅0.147），因此四极子噪声强度远小于偶极子源噪声强度，可忽略不计。单极子噪声为车辆体积位移引起空气体积脉动产生的，其辐射特性等同于点声源。汽车表面在气动噪声分析中可看作刚性，所以单极子源噪声可近似为零。因此，汽车的气动噪声源主要为偶极子源。

4.1 风噪声改善方法

车身气动性能优化

● 后视镜
● 隐藏式雨刮
● 隐藏式天线
● 流线型车声外形
● 车顶安装涡流发生器

车声隔声性能优化

● 车门、车窗密封系统
● 风挡、侧窗玻璃增厚
● 车身密封
● 汽车空调系统降噪

4.2 风噪声改善方法

● 低成本，速度快；风洞实验速度慢且成本高
● 更好的流场可视性，更好地设计决策
● 权衡冷却气流和气动阻力
● 参数化研究
● 可优化的伴随求解器 (Fluent专用工具，它扩展了传统流体求解器的分析范畴，能够提供一个流体系统性能敏感性数据)

4.3 常见声学建模问题

● 频域范围（20Hz ~ 20,000Hz）非常广：对于声学，时间分辨率通常比流体解的分辨率大好几个级别
● 声压大小：声压比静水压力小好几个级别
比如声压级 = 80 dB，声压 = 0.2 Pa，背景压力 = 101325 Pa，需要非常细密的网格
● 辐射至远场：将声压辐射至远场必须使得流体域边界外也划分网格

4.4 解决方法

ANSYS Fluent 提供了四种方式来计算气动噪声：直接模拟方法、基于比拟的积分方法、使用宽频噪声源模型的方法以及将CFD与指定的噪声计算代码耦合。

● Computational Aeroacoustics (CAA 直接模拟)：该种方法声音的产生和传播直接通过求解合适的流体动力学方程获得，求高精度的求解方法，非常细密的计算网格以及声音无反射边界条件，计算代价大。

● Acoustic Analogy Modeling (声比拟模型)：对中场和近场噪声，Fluent采用基于Lighthill的声比拟方法，近场流场从控制方程中获得，如非稳态的雷诺平均方程，过滤的DES和LES方程，然后把求解结果作为噪声源，通过求解波动方程得到解析，这样就把流动求解过程从声学分析中分离出来。声比拟基于两步法：首先采用CFD方法在噪声源附近精确的计算瞬态流场，其次从声源处到接受处噪声通过求解波动方程获得。