高速汽车外流场表面压力谱解耦及气动噪声特性研究

在汽车开发的早期阶段精确获得气动噪声特性是进行降噪设计的前提，是当前机械工程学、流体力学和声学等多个学科领域的研究热点。本项目采用计算流体力学方法预测出简化几何模型和实车的非定常流动特性、气动噪声声源位置以及表面压力谱。通过低噪声风洞实验测量非定常流场、板件振动响应和气动噪声特性，验证非定常流场和气动噪声声源的数值仿真精度。进而采用波数分析方法，建立实车的表面压力波数-频率模型，将表面压力谱解耦为湍流边界层压力谱与声学压力谱。根据解耦后的压力谱，结合统计能量分析方法获得车内气动噪声响应，再经风洞实验验证气动噪声传递的数值仿真精度。本项研究将建立一套在汽车开发早期阶段预测气动噪声的数值仿真解决方案，提高汽车气动噪声数值仿真精度，有助于进一步阐明气动噪声产生原因与传递机理。研究成果为改进现有的汽车NVH仿真模型和指导降噪设计提供依据，并为提升汽车开发水平和产品质量提供重要支持。

本项目采用计算流体力学方法和风洞试验技术，系统的研究了汽车外流场表面压力和气动噪声特性，也对轿车内流进行了预研。分别针对平板固定简化与实际汽车后视镜模型、楔形体与后视镜、缩小比例轿车模型、轻型客车以及轿车实车的关键区域进行了数值仿真与风洞试验研究，获得非定常流动结构与气动噪声频域特性，建立了以子域数值仿真方法为核心的，适用于汽车开发早期阶段预测气动噪声的仿真解决方案。对于平板固定简化后视镜模型，将仿真获得的后视镜表面压力以及后视镜周围空间位置的气动噪声与文献中的试验值进行对比，显示出子域数值仿真的结果与全流场数值仿真以及风洞试验数据吻合较好。为研究后视镜尾流在固壁表面产生的压力脉动和气动噪声，分别对平板上固定实际后视镜以及在楔形体上固定实际后视镜模型进行了数值仿真与风洞试验研究。子域数值仿真结果与风洞试验对比也显示出较好的一致性。采用简化模型的研究方法对缩小比例模型的轿车外流场和气动噪声进行了数值仿真与风洞试验，重点测量了侧窗表面压力与气动噪声。大涡模拟仿真结果与风洞试验得到的气动噪声频域特性吻合较好，论证了气动噪声子域数值仿真方法对复杂几何模型的适用性。对轻型客车后视镜与侧窗区域进行了数值仿真，对比侧窗区域监测点的气动噪声声压级，后视镜尾流区监测点声压级最高，侧窗气流再附着区监测点声压级最低。后视镜尾流区产生的气动噪声相对A 柱涡流区而言，在低频区( 750Hz 以下) 更为明显，二者在1000 ～ 2000 Hz 内的声压级较接近。由非定常后视镜尾流气流分离现象可见，如能设法削弱涡的脱落强度，会有利于降低气动噪声。对轿车实车风洞试验中，采用无气动干扰方式布置测压孔和气动噪声传感器，获得了轿车实车侧窗表面的压力分布与气动噪声频域特性。子域数值仿真获得的气动噪声频域特性与风洞试验结果一致，证明了本项目的研究方法适用于实车的气动噪声研究。另外对轿车HVAC管路和驾驶室内流的预研，为降低车内气动噪声提供了基础。研究成果可为汽车NVH仿真模型供准确的仿真条件，有助于进一步阐明气动噪声产生机理。