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汽车天窗风振噪声研究与优化

2019-07-08 22:16:38·  来源：关青青 AutoAero  
　
天窗的开启能很好的改进乘员舱的气流循环，增加进氧量，避免驾驶员和乘客因缺氧而产生的疲劳和不适，而且节能环保，亲近自然，增加驾驶体验。但是打开天窗产生的
天窗的开启能很好的改进乘员舱的气流循环，增加进氧量，避免驾驶员和乘客因缺氧而产生的疲劳和不适，而且节能环保，亲近自然，增加驾驶体验。但是打开天窗产生的低频高强度风振噪声，严重的影响了乘客的乘坐舒适性，同时研究表明长处于噪声环境下，会影响驾驶员健康，过大的车厢内部噪声环境极易分散驾驶员注意力，极易发生交通事故，因此在汽车研发设计阶段，考虑汽车天窗风振噪声的影响具有很重要的实际意义。
本文利用某轿车进行了实车试验，并对相应的模型数值仿真，分析了天窗风振噪声随车速变化规律，并分析了不同开度对天窗风振噪声的影响，同时讨论了整车气密性对天窗风振噪声中的影响，最后重点分析了三种典型扰流板在抑制天窗风振噪声中的效果，给出了抑制天窗风振噪声的优化方法和策略。
 
01、计算模型及计算方法
 
本文采用长方体计算域如图 3 所示，长约 11 倍车长，宽约 5 倍车宽，高约 4 倍车高。其中，入口距车头 3 倍车长，出口距车尾 7 倍车长。
本文选用四面体网格，并进行局部加密。
本文数值仿真计算采用 Star ccm+软件。计算所用的边界条件如表 1：
本文采用 k-ε湍流模型进行稳态计算求解，迭代 1000 次。瞬态计算选择 DES 模拟，选取驾驶员耳旁作为监测点。
 
02、天窗风振因素分析
1、车速对风振噪声的影响
天窗风振现象是一种亥姆赫兹共振现象，亥姆赫兹共振腔的固有频率预测公式为：
C 是声速，A 是天窗开口面积，V 代表车内声腔体积，L 代表天窗开口位置到顶棚内饰面的高度。
当来流涡旋脱落周期与乘用车声腔固有频率吻合时会发生风振现象。
如图 6 所示，20kph 车速时候处于上升，当达到 40kph 车速是处于风振峰值最大位置，随后 开始下降， 60kph 以后处于平稳,40kph 车速左右的时候天窗来流涡旋的周期性频率与车内声腔固有频率吻合，从而引起了共振，此时天窗风振现象最明显。
 
2、整车气密性对风振噪声的影响
整车气密性作为检验密封的一个重要标准，同时也会影响天窗风振噪声。
如图 8 所示，随着整车气密性流量增加，风振峰值随之降低。因此，当天窗有风振现象时，乘客可以通过侧窗开启一定的缝隙增加泄漏量来缓解风振现象。
3、天窗开度对风振噪声影响
天窗全开时，天窗外部主要是数量较大的小尺度涡旋，天窗开度减小时，涡团运动中的能量主要是转化为内能消耗掉，传入车内的能量降低，车内压力脉动较弱，从而风振现象降低。由此可知，天窗开发前期我们可以通过仿真选择天窗的合适开度，乘用车开发后期，风振现象明显时，可以通过增加舒适开度控制策略达到控制天窗风振的目的。
 
03、天窗风振扰流板优化
加装天窗扰流板可以改变天窗前边沿剪切层形成的涡流方向，限制涡流撞击天窗后边沿，不规则的扰流板同时可以扰乱前边沿的气流，抑制前边沿大尺度涡流的形成，从而达到改善天窗风振噪声，但不同形状的扰流板对改善天窗风振噪声的效果不同，本文选定市场比较典型的三种形状的扰流板作为研究对象，为了保证研究的可靠性，扰流板除了形状不一样，垂直高度、安装位置、试验车辆和实验环境保持一致。
本文通过某乘用车搭载三种不同形式扰流进行仿真，对比频谱曲线发现，板状和波浪状的扰流板风振峰值 112dB 和 110dB，风振现象明显，锯齿状扰流板 93.5dB，风振现象消失，锯齿状扰流板比板状和波浪状扰流板具有更好的扰流效果。
对比三种不同形式的扰流板湍动能云图 15 可以发现，板状扰流板和波浪状扰流板湍动能在天窗外部耗散较之于锯齿状扰流板少，进入车内空间的湍动能能量高。
造成这种情况的主要原因是板状和波浪状扰流板的比较光滑平整，对来流只具有导流效果，但对外部气流没有较好的扰流作用，气流通过扰流板导流后仍比较平整，在天窗的外部能量耗散小，气流在天窗前边缘产生大量的大尺度涡旋，涡旋撞击天窗后边沿位置产生更强的压力波，压力波扩散到车内产生风振现象，而锯齿状扰流板对来流具有很强的扰流作用，气流通过扰流板以后被打散，使其在天窗前边缘难以形成大的涡旋撞击天窗后边缘，同时产生大量的小的涡旋，最终转换成热能耗散掉，进入内部能量较少，压力脉动减弱，风振现象消失。
 
04、结论
1、车速是影响天窗风振的一个重要因素，随着车速的升高，风振峰值声压级先升高，某一个车速下达到一个峰值，随后会降低，到达某一车速后趋于平稳。
2、天窗开启的乘用车可以简化成单一自由度阻尼弹簧质点系统，气密性决定系统的阻尼，随着整车泄漏量的升高，风振峰值降低。
3、随着天窗开度的降低，共振点声压级随之下降，增加舒适开度是解决天窗风振的一个有效策略。
4、扰流板是解决天窗风振的一个重要措施，锯齿状扰流板较之其他扰流板除了具备导流效果以外，还有更好的扰流效果，对于抑制天窗风振作用更加明显。
文章选自：
江财茂, 张斌瑜, 周万田, et al. 汽车天窗风振噪声研究与优化[C]// 2018中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会. 0.
 
编者：关青青
评论润色：张英朝
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！ 
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