汽车前后视镜上的窄带噪声的数值模拟

背景

由于道路和发动机噪声的显著降低以及不断推进的电气化，风噪声对汽车发展越来越重要。在汽车前期开发中企业对于风噪也愈发重视，对于许多车辆， 在较高车速下，风噪声是车内噪声的主要贡献者，除了风噪声的典型宽带噪声特征外，窄带噪声现象的破坏性更强；窄带噪声通常是由于流过尖锐的边缘和共振间隙而发生的，但也可能是由声波反馈到流场中造成的。

早在1973年，有学者首次通过低湍流风洞中的机翼（NACA0012）对这些窄带成分噪声研究；此外许多其他作者也证实了前人的研究结果，并达成了一个共识：速度相关的音调频率是按照一般的u3/2比例排列的阶梯式结构，随着速度的增加，频率从一个梯级跳到另一个梯级，每个梯级的比例为u0.8；


图1 NACA 0012机翼

这种现象的发生与湍流和层状边界层或分离气泡，以及一些能够产生噪声的障碍物有关，亦或是边界层的不稳定性导致的边界层的频率选择性增长。如图1所示，通过对机翼以及后视镜的分析，这种现象也可以发生在车辆的前后视镜上。因为所有必要条件得到满足：

（1）首先在没有风和前车的情况下，自由流的湍流很低，加上光滑的油漆和较短的车身，使得整车处于低雷诺数下；

（2）由于不利的压力梯度或造型风格/空气动力学特征，表面层状边界层分离；

（3）Tollmien-Schlichting不稳定性在分离边界层中被放大；

（4）后缘噪声或与其他功能障碍物（如雨槽）的相互作用。导致边界层对不稳定性的频率选择性强化。

如果机翼上的航空声反馈是由于不稳定的层状边界层以及层状脱离相结合而产生的，那么这种现象可以很容易地可以很容易地转移到汽车外后视镜上；在没有流动影响的情况下 （几何障碍物、湍流器）的情况下，外后视镜出现啸叫声的风险非常高；假设一个简化的典型的驾驶速度为140公里/小时，将镜子的几何形状简化是一个半圆柱体，典型尺寸为直径小于20厘米，根据得出的雷诺数可以清晰的发现其表面的层状边界层分离。

通过以上分析，为了解决汽车中类似的声学反馈问题，人们迫切需要声学和流场的双向耦合。可压缩大涡流模拟（LES）原则上是合适的，因为它考虑了声学和流场的相互作用。但它必须照顾到数值伪影（numerical artifacts），这可能会干扰整个声场。对声学反馈的研究已经有了几十年的历史，由于计算能力的稳步增长，已经有可能通过以下方式解决反馈现象，在NACA 0012机翼上可以进行直接数值模拟（DNS）来解决反馈现象；第一个关于汽车侧后视镜窄带噪声的数值研究是由斯图加特大学发表的：将一个孤立的后视镜安装在平板上，并在平板上对齐，这样的方式下，流场和压力分布是与全车的DES相适配的。在此基础上采用一个区域性的RANS/LES的方法，将其应用于安装在梅赛德斯-奔驰客车上的汽车侧后视镜，并将其和其他的数值模拟方法以及风洞测量结果进行比较。通过对结果的分析，从中得出了四个改型方案，并通过CFD和风洞进行了测试。

实验

为了确认在开发新的外后视镜的过程中能过观测到啸叫声的问题，在各种工况（速度、偏航角）下，在位于辛德芬根的梅赛德斯-奔驰公司的航空声学风洞中对不同的几何支架进行风洞实验验证。图2显示了其中一个在梅赛德斯-奔驰乘用车上有明显窄带噪声的开发几何体。在大约1500赫兹处可以看到超过10分贝的强音峰，它随着速度的增加而转移到更高的频率上。另外，在坎贝尔图中，可以看到阶梯式的音调结构，这验证了航空声学的迹象反馈 。


图2

CFD模型建立

由于对整个车身进行壁面分辨的LES会使计算量过大。因此出现了一个问题，那就是如何计算正确的流动拓扑结构。为此，采用了分区RANS/LES方法。图3显示了各自建模的区域分布。对车辆流场通过ke湍流模型进行稳定的RANS模拟求解，对后视镜周围提供局部执行的LES边界条件。


图3

实验以及仿真结果

风洞中测量的声学频谱代表了流动部分外的传声器的平均PSD。在计算中传声器的位置被放置在接近于域边界，与风洞不同的是，它离外部镜子只有几分米的距离。

实验和模拟之间的第一个定性比较绘制在图4中， 分析时速60公里的实验结果， 可以看到五个频率的异常。两个主要的峰值出现在1340赫兹和1500赫兹，第五个峰值在2680赫兹是第一个峰值的谐波。在这之间，有两个较弱的峰值，分别在1780赫兹和2220赫兹。实验观测到的两个主要的峰值（1270赫兹，1430赫兹）在模拟中都有体现，第二个峰值明显占优势。此外，有一个大约70赫兹的频率转移到较低的频率。由于第一个峰值更弱，它的谐波不可见，但因此第二个峰值的谐波在2860 Hz。


图4 实验结果

中间的峰值（1770 Hz, 2190 Hz）只有在进一步的网格细化和x+, z+值小于20后才可见，看起来，由这是由于于后视镜的三维结构需要比准2D机翼流更精细的表面分辨率。然而，与壁面平行的分辨率只能在StarCCM中细化但StarCCM+中各向同性，这不允许在流动和横向方向进行单独设置。

仿真与与风洞测量的偏差可视为为很小，但依然存在，这可能是由不同的边界条件造成的。在风洞测量中，即使是后视镜上最小的几何形状差异以及其表面粗糙度的差异和流动强度的变化都会导致或多或少的类似偏差；


图5 截面涡流

为了更好地理解窄带噪声，观察平行于流向的垂直截面上的涡流（见图5），在图中可以看到。基本上，三种不同的边界层现象是可以识别的，所有这些现象都始于设计边缘的层状边界层的脱离；

（a）在面向车辆的一侧，只形成了一个小的分离泡，但分离气流立刻再次附着，最后在镜子盖的边缘处分离。

（b）在镜盖的中间，有一个更大的层状分离气泡存在。剪切层变得不稳定，发生湍流再附着。

（c）在外面，这种重新附着明显向下游转移，在镜盖的整个长度上都存在。这也是二维Tollmien-Schlichting不稳定性开始发展的地方，并最后与镜柄相互影响；

根据实验以及仿真结果，为了减弱窄带噪声，镜面几何形状必须被修改，以使分离的和不稳定的层流剪切层可以不再与障碍物相互作用 ，或者由于长度的原因，导致的湍流重新附着。然而，最简单的方法是避免任何层流分离或强迫早期过渡,但由于造型和空气动力学的要求，这通常是不可行的。

几何修改

对于在开发过程中使用模拟方法，具有可靠地预测啸叫声的能力是至关重要的。因此，对后视镜几何形状做了四个小的修改 （见图6），然后通过仿真和实验进行进行检查。在 V1和V2，设计边缘向游移动，以使分离的气流在整个宽度上重新附着。此外，V2有一个更尖锐的设计边缘。V3降低了设计边缘，以减少顶部的分离。在V4中，镜架被抬高并置于流场中，以迫使气流在上游重新附着。


图6 改型

四种几何修改都取得了预期的成功，将平均光谱绘制在图7中。所有强音调的噪声成分都完全消失了。只有V3工况在风洞中实验中有一个小的增长，但是由于其强度低（<3dB），在车辆内部不明显。


图7 光谱图

结  论

展示了用商业二/三阶有限体积CFD代码解决空气声学反馈的可能性。用NACA 0012测试案例进行的初步验证和进一步的收敛性研究，使LES有可能应用于真实的汽车后视镜；为了确保安装在梅赛德斯-奔驰客车上的后视镜周围的真实流动条件，采用了分区的 RANS/LES方法。这解决了外部后视镜表面流动，其流动拓扑结构与风洞中的油流图像非常一致，与机翼相类似，它显示了层状分离（气泡）的存在。层状分离（气泡）的存在是空气声反馈发生的必要条件。与风洞测量相比，在外后视镜镜处计算出的音调噪声非常符合。根据这些发现，得出了四种几何形状的修改。所有这些修改在风洞和模拟中都没有显示出更明显的窄带噪声。故所提出的方法提供了一种有效的分析方法，可以有效避免在未来的汽车侧后视镜开发中出现类似航空声学反馈的问题。

来源文献：Numerical Investigation of Tonal Noise at Automotive Side Mirrors due to Aeroacoustic Feedback，Published September 30, 2020 by SAE international in United States.