某 SUV 镂空式尾翼风噪优化设计

摘 要：某款 SUV 车型设计过程中，为体现造型特征而设计镂空式尾翼。通过声学风洞中油泥模型评估，发现镂空式尾翼对车内风噪非常不利。进一步通过仿真分析研究镂空式尾翼对风噪性能的影响机理，研究表明尾翼中的镂空区域使高速气流直接冲击后风挡而产生风噪。通过分析提出三种优化方案，并通过风洞试验进行验证。最终结果表明优化方案有效，且与仿真分析结果一致。采用该优化方案，既满足了造型特征要求，又保证整车风噪性能没有明显恶化。本研究为汽车尾翼设计的前期开发具有重要指导意义。

引言

汽车噪声按照来源可以分为：发动机及传动系统的振动噪声、行驶时的轮胎噪声、以及气动噪声等。研究发现气动噪声的声源强度跟汽车速度的六次方成正比，而其它声源强度仅随速度的一到三次方增加[1]。当车速达到 100 km/h 时，气动噪声就成为汽车的主要噪声源[2]。汽车尾翼作为空气动力学附加装置，能够降低汽车升力提高抓地力，同时改善汽车尾部流场降低行驶阻力。部分 SUV车型开发过程中为了提高造型的运动性和品牌个性，会采用镂空尾翼设计，该设计对整车风噪的影响需要进行深入研究。大部分学者主要研究 A 柱后视镜区域气动噪声通过前侧窗玻璃传播到车内[3~5],本文将此方法运用到汽车尾翼上将后风挡玻璃作为噪声的传递路径，运用流体仿真与统计能量分析模型（statistical energy analysis ，SEA）结合计算方法，模拟车外流体噪声向车内的传播[6]。本文首先通过试验方法，对尾翼镂空造型对风噪性能的影响进行评估。然后基于仿真分析的方法，分析镂空尾翼对风噪的影响机理。在此基础上进一步提出优化方案，并通过试验验证方案的有效性，提高整车风噪水平。同时为汽车尾翼设计的前期开发提供了一种仿真优化方法。

1 镂空式尾翼风噪性能评估

整车造型设计中，为体现品牌个性和造型特征，某 SUV 车型提出采用镂空式尾翼，需要评估该造型对整车风噪的影响。本次风噪评估基于整车油泥模型声学舱（如图 1），在全尺寸整车声学风洞中进行。该车油泥模型通过数控机床铣削保证整体精度，同时为了真实的反应车内噪声情况，在模型内部掏出真实的驾驶舱并粘贴吸声材料。试验时将人工头放置在车内前后排座椅上采集车内风噪数据，通过车外声阵列捕捉车身外表面的声源信息。

为了定量的评估尾翼镂空对风噪性能的影响，试验中将尾翼镂空处填平（如图 2）进行重复试验。通过对比两组试验时的数据差异，来衡量尾翼镂空对车内风噪水平的贡献量。

车内噪声的客观评价指标有 A 计权声压级和语音清晰度( articulation index，AI)。A 计权声压级采用 A 计权对测得声压级信号进行修正从而更好的反映人耳对噪声的感受，用声压在整个频带上的总均方根值（Overall level(A),OA）衡量噪声强度，广泛应用于噪声测量当中，是噪声的常用评价指标单位是 dB（A）。语音清晰度主要评价车内噪声对于驾乘人员信息交流的影响，将测得声音信号转化为 1/3 倍频程曲线然后查找标准 AI 频谱得到各频带权重，通过各频带求和得到语音清晰度，该值越高表示车内噪声水平越好。根据试验结果，首先分析尾翼镂空与封闭外场声源的区别。采用高精度外场声学阵列进行识别，识别尾翼封闭与镂空尾翼外声场如图 3 所示，可以看出，尾翼镂空后，在尾翼处外场声源明显增大。

2 镂空式尾翼风噪机理分析

利用仿真软件建立流场分析模型，为了分析尾翼问题在尾翼地区进行了局部加密。所建立的计算域长为 11L（L 为车长），高为 5H（H 为车高），宽为 9 W (W 为车宽)。流体仿真计算网格如图 4所示。为了控制网格数量，在计算域内车身周围建立网格加密区，车身整体建立了三层加密区,网格大小分别为 16 mm、32 mm、128 mm。同时为了更好地捕捉尾翼区域流场变化，在此处建立大小为2 mm 的局部加密区，最终生产约 5000 万体网格。

稳态计算选用 Realizeble k-ε湍流模型。分离涡模拟（detach-eddy simulation，DES）结合了 RANS与 LES 优点，本文采用基于 menter k-ε SST 湍流模型求解 Navier-Stokes 方程的 IDDES（improveddelayed detached eddy simulation ）方法[3]，兼顾网格数量与计算精度。计算瞬态时间步长设置为 0.1ms，采样频率 10000 Hz，可获得 5000 Hz 以内的声压信息，采样时间设为 0.5s，能充分反映流动特性。车外流场计算的边界条件设置如表 2 所示。

气流在通过后视镜等车身突出物后会产生类似卡门涡街的涡流，会在车窗玻璃上产生脉动压力，导致车窗振动向车内传递噪声（流致噪声）。同时紊乱的气流之间相互碰撞本身也会产生声源通过声辐射的方式向车内传递（声致噪声）。

参照对后视镜的仿真方法，瞬态计算后提取后风挡玻璃处压力、速度、密度等流场信息，采用LIGHTHILL 声类比方法计算噪声源传播。通过波束分解[7]将提取的流场信息分为流致噪声与声致噪声结果如图 5，分别将两者作为激励源加载到 SEA 模型上得到车内噪声响应。

通过尾翼封闭和镂空的流场对比，发现尾翼镂空后，气流直接冲击后风挡产生风噪，相当于增加了额外的声源，直接通过后风挡玻璃传入车内。流场仿真结果如图 7 所示，该切片图用速度染色，可以看到镂空尾翼后风挡上气流速度明显更大，即气流冲击后风挡上更激烈，使车内噪声更大。

3 镂空式尾翼风噪优化

对于镂空尾翼风噪优化的思想主要是“疏”和“堵”。“疏”就是改变气流的方向让原本冲击到后风挡上的气流向上抬高，从后风挡上方流过；“堵”就是之间减少通过镂空尾翼的气流量，减少冲击在后风挡上的气流从而改善风噪性能。根据气动噪声源的产生机理和物理模型，流场中的声源可以分为如图 8 所示的三类噪声源：①单极子声源，一个闭合系统内由于不稳定的系统体积增加或减少产生的，例如活塞发动机的排气噪声。单极子声源的辐射声功率可以用公式 1 计算；②偶极子声源，是由流体的非定常压力作用在刚性表面上产生的，例如脉动噪声、风振噪声，偶极子声源的辐射声功率可以用公式 2 计算；③四极子声源，是由在湍流剪切层中的两个流体单元的互相碰撞，使得在流动中产生了波动的粘性力而产生，四极子声源可以等效为两个彼此平行的相距很近的偶极声源。四极子声源的辐射声功率可以用公式 3 计算。

3.1 尾翼前加导流条

在镂空尾翼的正前方设计一高度为 19mm 的导流条如图 9 所示，使车顶气流尽可能从尾翼上表面流过。

优化方案的流场仿真结果如图 10 所示，从四极子声源可以发现安装导流条使得尾翼前方来流向上抬升，从而流过尾翼后向上抬高增大了与后风挡的距离减少噪声源向车内辐射。从偶极子声源上看安装导流条后风挡玻璃上声源明显减少，偶极子声源主要表示压力脉动的强度因此装导流条使得后风挡玻璃上压力脉动减少通过振动传递的噪声减小。

3.2 尾翼中部支柱加宽

将镂空尾翼中部支撑向两侧分别加宽 100mm，减少通过尾翼冲击到后风挡上的气流，具体情况如图 11 所示。

流场仿真结果如图 12 所示，加宽中部支撑以后，尾部分离涡开始朝后风窗玻璃两侧扩展，湍动能不再只集中于后风窗中部。后风挡表面偶极子声源（尤其是在中部支撑下方）明显减小，在镂空处四级子声源明显减弱。

3.3 尾翼进口加宽

将镂空尾翼进口处沿 X 向填充，减小 X 向开口尺寸，使尾翼开孔进气减少如图 13 所示。

流场仿真结果如图 14 尾翼进口加宽后使附着在后风挡上的气流向后发展，从而原先冲击到后风挡上的部分气流现在绕过风挡直接进入了汽车尾涡区使得后风挡上的偶极子声源与四极子声源均降低。

以上三种优化方案的声学仿真效果对比如表 3 所示。

3.4 优化方案试验验证

根据仿真优化结果，选取效果最优的方案 1 加工样件，基于油泥模型声学舱在风洞中进行试验验证。试验结果车内 AI 提升 3.0%，OA 降低 3.9dB(A)，与仿真结果基本一致。且与尾翼镂空处封闭的方案效果接近。表明尾翼前加导流条的方案，整车风噪水平没有明显恶化。

4 结论

首先在声学风洞中评估了某款 SUV 镂空式尾翼对风噪性能的影响。针对尾翼镂空使风噪性能恶

化的问题，建立 CFD 仿真模型以及 SEA 模型模拟车内风噪响应，对镂空尾翼关于风噪的影响机理进行深入分析。进而针对镂空尾翼提出了三种优化方案。通过“疏”“堵”的气流优化思想改善了镂空尾翼处流场。然后制作样件评估，验证了优化方案的有效性。在满足尾翼镂空造型的要求下，保证整车风噪没有明显恶化。同时为汽车尾翼设计的前期开发提供了一种仿真优化方法，对后续尾翼造型设计有重要的指导作用。