基于LES-FE-SEA与ALE方法的汽车气动噪声品质研究

发布时间：2020-04-04 21:08

【摘要】：随着汽车实用速度不断提高,高强度、宽频带的气动噪声已经成为影响乘坐舒适性不容忽视的问题。在以往的汽车气动噪声研究中,工作重心往往集中于对声压级的计算与评估,而随着汽车研发趋势逐渐从产品性能转向品质研发层面,因此汽车声品质的研究已经成为当下研究热点之一。然而现阶段针对气动噪声声品质的研究工作相对缺乏,并且传统的汽车气动噪声声压级不足以全面整体的表征车内气动噪声多属性特性。因此为了全面深入地研究车内气动噪声声环境特征,开展汽车气动噪声声品质的研究工作就显得尤为重要。目前,国内外对于汽车声品质研究主要集中于整车与零部件结构噪声研究领域,尚没有对车内气动噪声声品质问题给予足够的关注,因此还需要以具体气噪特性的深入了解为基础,发展与之相适应的汽车气动噪声综合评价体系与控制方法。为此,本文针对汽车在高速行驶时车内两种主要气动噪声(偶极子噪声与风振噪声)的声品质问题,分别建立了基于有限元-统计能量(FE-SEA)与网格自适应(ALE)方法对车内气动偶极子辐射噪声与风振噪声进行了数值仿真计算,结合响度、粗糙度、尖锐度等客观参量探讨了这两种气动噪声声品质特性,并在此基础上开展基于声品质的车内气动噪声均衡控制方法研究,为解决汽车气动噪声设计问题提供了新的研究思路,具有重要的理论意义与工程应用价值。本文主要研究内容如下:1.汽车气动偶极子噪声相关湍流模型的比较与筛选。汽车高速行驶时车身周围复杂流场会产生强烈的脉动压力,而脉动压力是后续偶极子噪声及其品质计算分析的重要基础与依据。针对MIRA国际标准模型组和外流场三维数值计算模型,从保证数值计算精度的角度出发,确定了在进行流场稳态计算时,采用Re alizable k-?两方程湍流模型,在流场瞬态计算过程中,采用大涡方程(LES)进行模拟,以精确获得车身表面的脉动压力信息;并通过PIV测试与压力数据采集验证了车身外部流场以及车身表面脉动压力的准确性。2.针对车内偶极子辐射噪声,提出了一种能够准确预测较宽频带内的LES-FE-SEA模型。理论推导了声类比(FW-H)与传统方法(FE、BEM、SEA)的相关模型,详细阐述了FW-H与FE-SEA混合方法的理论基础与实现条件,将在CFD计算中获得的脉动压力作为噪声源项,采用FE-SEA方法对声学Helmholz方程进行求解,实现了实车封闭乘员室空间的偶极子噪声在宽频区间内的数值仿真计算,实车道路测试结果表明,该方法在中频范围内具有较高的计算精度,与传统有限元、边界元、统计能量分析方法相比,该方法在兼顾计算精度与计算效率两方面时具有综合优势。3.结合响度、粗糙度、尖锐度、抖动度四个物理参量,以偶极子噪声为载体,构建了相应声品质计算流程。基于响度、粗糙度、尖锐度、抖动度四个心理声学客观参数,将声学计算得到的声压级频谱曲线作为声学后处理的初始信号,运用Matlab软件编译各客观参数计算流程,获得了气动噪声各声学客观参量,并对比分析了数值计算与测试结果。总结了声压级以及四个声品质客观参量与车速变化关系,为车型开发阶段对车内偶极子气动噪声品质的评估提供了重要的借鉴价值。4.建立了一套适用于汽车的侧窗风振噪声品质计算方法。推导了松弛-弱可压模型及风振噪声控制方程,重点阐述了简易车厢动网格计算方法中的网格划分、边界条件与求解器设置,以及声学后处理。对比分析了仿真计算与风洞实验结果,验证了该计算方法的准确性,揭示了响度、粗糙度、尖锐度、抖动度四个声品质客观参量与滑动挡板开度的变化规律,并且详细分析了产生这些变化现象的相应机理,为实车风振噪声品质设计提供了可供参考的研究思路及方法。5.汽车侧窗连续开启下的风振噪声品质计算分析。考虑汽车具有外形高度复杂的特征,对模型进行适当的简化,将基于ALE方法的动网格技术引入风振噪声仿真计算中,经过相应的声学后处理,实现了各声品质客观参量的数值计算。重点分析了左前侧窗与左后侧窗风振噪声的产生机理,并采用实车道路测试与固定开度方法验证了该计算流程对风振噪声品质计算的准确性。详细阐述了左前与左后侧窗风振噪声声品质各客观参量与车速、侧窗开启程度的变化规律及其内在机理。最后综合考虑声压级与四个声品质客观参量,提出乘员室需加强通风换气时侧窗的开度区间及相应车速的合理建议。6.针对汽车气动噪声声品质多属性特征,设计了一种能够均衡控制乘员室气动噪声品质的降噪方案。针对车内偶极子噪声,通过在内饰布置多层吸声材料的设计思想,结合多目标优化方法,采用遗传算法,获得了能够均衡控制声品质各客观参量的多层吸声材料的布置方案。针对车内风振噪声,通过在侧窗附近布置仿生雨挡的降噪措施,分别以前后雨挡各主要结构参数为设计变量,进行多目标优化,获得了能够提升车内风振噪声声品质的雨挡设计方案。综上所述,基于LES-FE-SEA与ALE法的汽车气动噪声计算方法为车内气动噪声声品质研究提供了有效的数值预测手段。本文系统的对车内偶极子气动噪声与风振噪声声品质特性以及均衡化控制进行了深入细致地研究,为汽车开发阶段预测与评估车内气动噪声声品质水平提供了可供参考的研究思路与方法。
【图文】：

人工头耳模型

1 车内气动噪声主要来源汽车高速行驶时，封闭乘员室内部气动噪声主要是由车身表面偶极子引 1.2 所示[6]，，然而当乘员室需加强通风换气时，往往需要将车窗开启一，此种情况下，车内外气流的瞬态干涉效应引起的风振噪声就更为凸显两种声传播途径已经成为汽车高速行驶时乘员室空间主要气动噪声来源研究气动偶极子噪声首先需要探究气动噪声整体性起源，封闭乘员室内声是由汽车车身表面湍流边界层内的扰动、表面脉动压力共同引起的，式分别为四极子声源与偶极子声源[7-9]。汽车行驶时处于低马赫数工况，子噪声源产生的辐射噪声很小，可以忽略其影响，从而车身表面的偶极主导地位[10-11]。目前已经有大量关于偶极子气动噪声的相关研究文献，大致通过理论分析、实验测试和数值仿真三种方法对偶极子声压级水平，所得结果之间也能相互印证[12-16]，不过这些研究对声品质客观参数的欠缺，尤其对于车内驾乘人员附近的偶极子噪声品质客观参量。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.493

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本文编号：2614076