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基于分子动力学方法的汽车气动噪声仿真

作者:缅甸小勐拉 | 日期:2018-10-26 | 评论:0 | 浏览:69

  汽车高速行驶时所产生的气动噪声与车辆乘坐舒适性息息相关,汽车生产商和消费者对气动噪声的要求也越来越高。本文利用基于分子动力学算法的气动噪声计算软件Aries对高速行驶的某型号汽车进行了外流场瞬态分析并对车外气动噪声进行了计算。得到了汽车外流场气动噪声源的主要部位,并针对这些部位对车外监测点的噪声影响做了定量分析,得到了监测点上的声压频谱图。

  随着汽车工业的高速发展,汽车的生产商和消费者对汽车乘坐的舒适性的要求越来越高,而汽车高速行驶时所产生的气动噪声与车辆乘坐舒适性息息相关[1]。气动噪声是指汽车行驶时空气与车身的相互作用而产生的噪声,俗称“风噪声”[2],主要包括风窗噪声、泄漏噪声以及空腔共鸣等[3]。有关研究指出[4-5],当车速超过100Km/h时,气动噪声成为汽车噪声的主要贡献源,是影响乘坐舒适性的重要因素。而目前高速公路上的车速大多超过了100Km/h,因此对如何降低及有效预测气动噪声已经成为全球各大汽车公司研究汽车NVH(Noise、Vibration、Harshness)的重要内容之一。

  气动噪声的研究方法主要有两种:一种是风洞试验方法,另一种是数值计算方法。就这两种研究方式而言,风洞实验的研究方式既费时又昂贵,而数值计算可以替代部分实验环节,能够较好的预测汽车车内以及汽车高速行驶时车外远场、近场声场特性,从而为汽车设计与噪声控制提供依据。目前气动噪声的数值研究方法主要有三种:边界元、有限元与统计能量法。一般来说,有限元和边界元方法适用于200Hz以下频率范围,而统计能量分析方法适合于50Hz以上频率段的振动声学特性分析。而气动噪声是一个全频段分布,因此对于汽车的气动噪声仿真要得到一个准确的仿真计算结果,应采用一种适用于全频段噪声与振动分析的仿真工具。

  本文利用基于分子动力学算法的Aries软件,对高速行驶的某型号汽车的气动噪声进行了全频段仿真分析。Aries是一款基于分子运动学、全瞬态、精确计算显式求解的气动分析计算软件,针对将波段从近场声源传播到远场观测器的难题,Aries噪声分析模块采用了根据近场输入预测远场信号的积分技术。其原理为:根据分子碰撞理论,计算不同时刻流场中各个点的分子团密度函数,从而得到各点的瞬态压力脉动、温度分布与速度分布;根据气动声学理论的FWH方程(Ffowcs Williams/Hawkings),用非定常流动的数值模拟结果作为输入,根据声波传播的环境和测点的布局来计算噪声。通过仿真计算得到汽车外流场气动噪声源的主要部位,并针对这些部位对车外监测点的噪声影响做定量分析,得到各个检查点上的声压频谱图。根据得到的可视化图形结果,对车身相关部位做出适当调整,以指导产品的开发、设计。

  有关研究表明[6]:运动车辆车速越大,车身表面流速越大,脉动压力的脉动幅度越大,各频率上对应的声压级就越大,总声压级也越大,故辐射噪声就越大。这是因为高速气流经过汽车外表面时,由于汽车表面存在不规则的曲面和结构,这就会导致气流发生严重的分离,形成复杂的湍流结构,进而出现很高的气动噪声[7]。因此,气动声学属于流体声学的范畴,被定义为可压缩非定常问题,一般看作是流体力学与声学的结合。Aries软件包含了一整套集成的计算流体力学与计算声学技术,包括波尔兹曼方程算法和声类比方程Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)。

  与基于连续介质假设的传统计算方法不同,Aries基于分子动力学,是从微观动力学角度出发,将流体的宏观运动看作是大量微观粒子运动的统计平均结果,宏观的物理量可由微观粒子的统计平均得到。这些流体粒子在离散的格子上按一定规则进行迁移和碰撞演化。流体粒子演化规则可由玻尔兹曼动力学方程的BGK近似形式描述:

  其中,方程右边第一项是Lighthill声源项,为四极子声源;第二项表示由表面脉动压力引起的声源(力分布),是偶极子声源;第三项表示由表面加速度引起的声源(流体位移分布),是单极子声源。Lighthill声源项只存在于运动固体表面之外,在表面内为零;第二、三声源项仅在固体表面上产生。

  边界条件设置:入口速度v入=33.3m/s,出口压力p出=0,车身为静止无滑移边界,地面为移动壁面,速度与入口来流速度相同,其他为对称边界,法向速度为0。初始条件设置:计算域中介质为均匀空气,压力为1个标准大气压,流场速度分布为汽车行驶速度。利用分子动力学方法对汽车外流场进行瞬态分析,并用FW-H方程对汽车外流场气动噪声计算。

  汽车行驶时,前方来流首先遇到车身头部前端,使气流受阻,速度大大降低,气流的动压变为静压,因此在车头前部形成一个正压区。同样在气流受阻的头部上方形成正压区。在车头的拐角和车身前端侧部由于气流发生分离,流速比较大,因此出现负压区。车身的后部由于发生了气流的分离出现了小部分面积的正压区。在车的尾部则是负压区。

  利用基于分子动学方法的Aries软件,对汽车外场进行噪声的仿真计算,得到汽车表面脉动压力云图、速度分布云图及矢量图、表面声压云图。仿真结果表明:车身前脸、后视镜、A柱、前轮雨刮器这些暴露在高速气流中的部件,由于拐角较大,速度、压力梯度较大,直接导致了噪声的产生。因此,减小车身前脸处、后视镜处的气流分离,改变后视镜的圆角大小,降低前风窗玻璃处的倾角大小,可减小汽车高速行驶时的气动噪声。

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