西门子工程咨询服务团队解决方案之气动噪声

近年来，随着汽车产业不断发展，人们对汽车的乘坐舒适性越来越重视，其中影响乘坐舒适性的一个重要因素就是车辆的NVH噪声水平。一般来说，汽车在行驶过程中的噪声主要可分为动总噪声、路噪以及气动噪声，其中，气动噪声会随着车速提升逐步成为车辆的主要噪声源。另外，随着汽车动力总成降噪技术和汽车电气化的发展，气动噪声分析已成为电动汽车NVH研究的重要组成部分，而气动噪声仿真也逐渐成为各大主机厂的研究热点。

不同于车辆的路噪和动总噪声，气动噪声的本质是流体运动产生的非定常压力脉动，并以波动形式向外传播，归根结底属于流体动力学问题。因此，在分析过程中，它会涉及到CFD和NVH之间的学科耦合。因此，在仿真分析中，我们经常会遇到以下4种痛点，这些痛点或者说难点极大地影响了气动噪声的分析效率和精度。

为解决以上痛点，西门子工程服务团队结合国内外丰富的项目经验，研究出了基于Simcenter3D和Simcenter StarCCM+的气动噪声完整分析流程，极大地提高了气动噪声的仿真效率。接下来，本文会以汽车气动噪声中典型应用来简要介绍西门子工程服务团队的气动噪声解决方案。

当前，在汽车行业，气动噪声的典型应用很多，其中便包含了以下3种：风噪、空调噪声和冷却风扇噪声。

01汽车风噪应用

汽车在行驶过程中的风噪按照产生原理来说可分为好几种，其中侧窗、后视镜、A柱附近区域的风激噪声通常是驾驶室内部噪声的主要贡献，这里说的汽车风噪应用指的也是此处。

针对这个问题，研究发现，汽车侧窗玻璃表面所受的压力脉动激励是驾驶室内部产生噪声的主要原因。根据产生的机理不同，此处的压力脉动激励主要分为两类：声压脉动激励和湍流压力脉动激励。二者对车内噪声的贡献量会随着分析频率升高而不断变化，所以一般都要从Simcenter StarCCM+输出，作为载荷激励。

汽车侧窗风噪的主要分析流程如下：

1.1湍流场的计算

根据要求，在Simcenter StarCCM+中建模并计算瞬态湍流场，输出CNGS格式的声压脉动激励和湍流压力脉动激励。

1.2载荷处理

把上一步得到的CNGS文件无缝导入到Simcenter3D中。

Simcenter 3D集成的载荷映射功能支持超大规模的载荷加载，加载后的载荷文件不会写入内场噪声计算的dat文件中，而是会以二进制的SCH5文件格式关联到内场噪声求解文件中，大大缩短了前处理的时间。例如，网格（载荷）映射、FFT、Pressure to Force等操作皆可在几秒内快速完成计算。

另外，在这一步中，我们经常会涉及到CFD网格和NVH网格的映射问题。一般来说，CFD网格的网格尺寸很小，网格数量很多，如果NVH网格也保持在相同维度，那无疑会大大增加求解时间。

为了解决这个问题，Simcenter 3D在网格映射中提供了“Conservative Pressure Mapping”技术。如下图所示，使用这种方法，可以在保证映射精度的前提下，极大地缩减NVH网格，从而极大地提高了后面的求解效率。

1.3声振耦合求解

这一步与常规的路噪分析流程类似，但由于气动噪声涉及的频率范围较高，所以为了提高求解效率，建议使用FEMAO技术进行求解。

FEMAO是Simceter 3D研发的一项先进求解器技术，可以自适应定义声学网格阶次。采用这个技术，我们可以使用同一套声学网格来求解不同频率分析范围的声压。这意味着，即使求解的频率很高，我们仍然可以使用较大的声学网格尺寸。那么，这无疑会提高低频求解速度和高频分析效率，从而大大地缩短整体的求解时间。

1.4后处理

Simcenter 3D拥有强大的后处理功能，操作简便快捷，可以快速地处理气动噪声所需的各种2D或3D结果，如声压、加速度、载荷贡献量、面板贡献量等等。

02空调噪声

这里的空调噪声指的是空调系统的出口噪声及其在车辆系统内的传播。其分析流程与汽车风噪的分析流程比较类似，详见下图，这里不再赘述。

03冷却风扇噪声

与前面气动噪声分析流程类似，冷却风扇的气动噪声分析经常采用如下解决方案：

基于Simcenter 3D和Simcenter StarCCM+，我们可以分析冷却风扇噪声在自由场中的传播，也可以考虑车内的反射/吸声材料性质，计算其在驾驶室内的噪声传播。对于后者，简要步骤如下：

• 通过StarCCM+计算出风扇叶片上的湍流脉动压力。

• 导入到Simcenter 3D的专有风扇处理模块，进行载荷映射和风扇段的生成。

• 基于风扇参数定义响应频率。

• 气动噪声的计算分析和后处理

综上所述，基于先进的软件求解器技术和丰富的工程项目经验，我们使用Simcenter 3D和Simcenter StarCCM+软件很好地解决了气动噪声仿真分析中的难点/痛点，从而极大地提升研发效率。目前，这套解决方案已在宝马、奔驰、沃尔沃、现代等主机厂得到了很好的实践，同时在其他行业领域如航空、电子设备、工程机械等也都得到了一定应用。如果您有气动噪声的类似需求，欢迎与我们联系。