基于某款轿车关门耳压数值模拟与分析

周华,李锋,吴泽勋.基于某款轿车关门耳压数值模拟与分析[C]//中国汽车工程学会汽车空气动力学分会.2023中国汽车工程学会汽车空气动力学分会学术年会论文集.重庆睿蓝汽车研究院有限公司;,2023:8.

摘  要：

本文通过数值模拟的方法来研究车门在关闭过程中对人耳舒适感的影响。通过运用STAR-CCM+仿真软件建立了某款轿车的 1：1 模型，以实测关门速度为输入，得到了车门关闭过程中驾驶员与乘员的关门耳压变化情况，基于该模型研究了不同乘员数量对关门耳压的影响，并尝试通过优化气流通道、增加辅助通风孔等途径来降低关门耳压力。结果表明，乘员舱内的关门耳压峰值随乘员数量的增加呈线性增长，通过优化气流通道等措施可有效降低关门耳压感。

前言  

汽车作为现代社会老百姓的出行必备工具，以往选择车型时更多的是追求动力性与经济性，直至现在汽车的乘坐舒适性也成为了选择车型的重要指标之一。而汽车的关门品质作为乘坐人员可以直接感受到的性能，会直接影响到乘坐人员的主观评价。

车门在关闭过程中，乘坐人员有时会感到耳感不适，这与车内气体的流动特性密切相关。国外学者LEE.Y.L[1]等通过仿真手段，运用仿真软件自带的动网格技术对关门过程进行了研究，发现车门关闭角速度对车内的耳压影响比较大。LI.S[2]等对车门关闭过程进行了实车测试，并将试验所测的最小关门速度作为输入条件，以SSTκ-ω湍流模型和理想气体作为物理模型，通过实验与仿真的结合，将误差控制在工程上要求的15%以内。国内学者张瑞[3]通过仿真手段，研究了影响关门过程中人耳舒适性的相关因素。苏瑞[4]运用数值仿真技术，结合试验提出了关门耳压感的优化方向，为优化车门关闭过程中的人耳舒适度提供参考。

本文运用仿真软件STAR-CCM+自带的重叠网格技术进行仿真分析，以实测得到的车门关闭速度作为数值仿真的初始输入，计算得到乘员舱内乘坐人员耳朵附近的压力变化情况以及车门关闭过程中的车内气流流场情况，分析初始状态、车内不同乘员数量、气流路径等对关门耳压仿真结果的影响。

1 关门耳压感产生机理

车门关闭时车内压力瞬间增大导致人耳不舒适的感觉，这种感觉被称为关门耳压感。通过人耳结构图1得知，人耳主要分为外耳、中耳和内耳3个部分，鼓膜将外耳和中耳分开。在车门闭合瞬间，车内压力骤升，外耳内的压力自动地随之变化，而由鼓膜分开的中耳还保持原有的压力，耳膜两边形成的压力差使鼓膜内陷，此时乘客就会感到耳感不适，形成耳压的感觉，耳压严重时会出现耳鸣、恶心等不适感觉；有相关资料表明，黄种人的身体特质会对人耳内外气压差更加敏感，更容易察觉到压力波动。

2 数值模拟

2.1 数值计算理论方法

流体的流动遵循物理守恒定律，分别为质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。以下是守恒定律的描述[5]:

2.2 模型描述 

2.2.1 仿真模型  

本文所研究对象为某轿车 1：1 全比例实车的整车模型，该模型保留了整车主要结构，包括车门、座椅、内饰、外饰及车身钣金件等结构特征，如图 2 所示，并引用总布置调校的假人模型来确定人耳位置，保证该仿真模型与实车的一致性。

重叠网格技术广泛运用于2个或多个运动部件的运动状态分析，车门关闭过程是车门在打开状态的起始位置通过车门旋转到关门状态的运动过程，而本次仿真分析是考察在整个运动过程中乘员舱内乘员耳朵附近监测点位置的气动压力变化。本文仿真计算采用Trimmer网格对整个计算域进行划分，并对车身外表面进行局部网格加密，通过在车门及车身门框区域重叠多个加密区的方法来保证重叠网格周边区域的网格尺寸保持一致性，以确保仿真的成功及仿真结果的可靠性，最终所得体网格总数约为3500万。

2.2.2 仿真条件

本次仿真模拟汽车单车门关闭时车内的气流流场情况，将驾驶员位置车门依据车门铰链的局部坐标调整至限位器1档位置（开门角度35°），其它车门保持关闭状态，车门旋转域输入车门关闭实测速度值0.97m/s作为初始输入，计算域外表面设定为静压为0的压力出口，除压力出口之外的其它边界设为壁面边界。

3 分析结果

3.1 基础分析结果

3.1.1 原状态分析结果 

基于某款轿车车型分别测量前排和后排乘员4个监测点的耳压及关门速度，结果如图3所示。从图3结果图得知，在整个车门从开启到关闭的过程中，靠近运动车门的驾驶员左耳耳压在 1.017s 达到峰值172.04Pa，副驾驶员右耳耳压在 1.021s 达到峰值 177.52Pa，驾驶员后排乘员左耳耳压在 1.021s 达到峰值171.48Pa，副驾驶员后排乘员右耳耳压在1.022s达到峰值176.91Pa。从各位置的耳压峰值到达时间上可以看出，副驾驶员的耳压峰值与后排乘员的耳压峰值出现的时间相近，相较于主驾驶员耳压峰值出现的时间滞后约4ms，且驾驶员侧的乘员耳压峰值比副驾驶员侧的乘员耳压峰值略低，这是仿真考虑驾驶员位置车门单门关闭过程，乘员舱内的气体流动与车门运动相关联特性导致的差异。

分析结果图4为车门运动轨迹的速度云图，展示了车门在关闭运动过程中车门不同位置的气流速度情况。随着车门的关闭，车门内外侧的空气流动速度逐渐变大；在车门关闭时间为0-0.7s时，只有较少的气体被挤压进乘员舱，乘员舱内假人耳部的气压变化不大；而在车门关闭时间为0.8s以后，越来越多的空气被车门挤入乘员舱内，并急剧从车身后部的泄压阀排出车身，使车内的气体迅速被挤压，致使车内的气压急剧上升；在车门关闭时间为1.1s以后，车内的气体通过车身后侧围内饰上的通风格栅再到车身上的泄压阀逐渐被排出，气体流动逐渐恢复平稳。

3.1.2 车舱内不同乘员数量分析结果

针对乘员舱内由1位乘员增加到4位（前排2人，后排2人）乘员的关门耳压情况进行分析研究，图5 所示为车内不同乘员数量的耳压对比结果。乘员舱内只有驾驶员 1 个乘员时，驾驶员的耳压峰值为170.71Pa，副驾驶员的耳压峰值为 173.30Pa，驾驶员后排乘员的耳压峰值为169.50Pa，副驾驶员后排乘员的耳压峰值为174.87Pa；当乘员数量由1人增加到4人时，驾驶员的耳压峰值为175.56Pa，耳压峰值差值为 4.85Pa；副驾驶员的耳压峰值为 182.26Pa，耳压峰值差值为 8.96Pa；驾驶员后排乘员的耳压峰值为173.72Pa，耳压峰值差值为 4.22Pa；副驾驶员后排乘员的耳压峰值为180.62Pa，耳压峰值差值为5.75Pa；从分析结果对比得知，随着车内乘员数量的增加，各位置的耳压峰值呈线性增长，但总的差值均小于10Pa，主观感受差异不大，因此，解决车辆关门耳压感问题时，只需要保证数据前后状态一致，无需考虑乘员舱内乘员数量对车内耳压的影响。

3.2 优化分析结果

在关门过程中，车门将气体挤压到车内，大部分的气体通过车身上的泄压阀排出，小部分的气体通过车身上一些密封不严的孔缝排出，而气流在流到泄压阀之前要经过衣帽架到达后行李舱，再通过后侧围内饰板上的通风孔到达车身上的泄压阀，所以通过优化气体流动路径来降低乘员舱内的气压。

3.2.1 衣帽架周边气流通道优化

在初始模型基础上优化气流通道，通过观察初始模型发现，后排座椅与衣帽架之间的间隙较小，衣帽架与周边车身内饰结构的距离也存在可优化空间，仿真研究通过加大衣帽架与周边结构的间隙来考察关门耳压情况，具体优化方案如图6所示。

通过对比优化气流通道前后的分析结果得知：优化气流通道1后，驾驶员耳压峰值由172.04Pa降到了160.57Pa，耳压峰值减小了11.47Pa；副驾驶员耳压峰值由177.52Pa降到了164.60Pa，耳压峰值减小了12.92Pa；驾驶员后排乘员耳压峰值由171.48Pa降到了157.86Pa，耳压峰值减小了13.62Pa；副驾驶员后排乘员耳压峰值由176.91Pa降到了162.69Pa，耳压峰值减小了14.22Pa；各个位置耳压峰值的降幅均超过了10Pa，整体优化效果较为明显。在优化后的气流通道1基础上继续增大衣帽架整体与周边结构的距离，得到气流通道2，分析结果对比得出不同位置的耳压情况如下：相较于气流通道1，气流通道2的各位置耳压峰值差值为驾驶员的耳压峰值差值为2.44Pa，副驾驶员的耳压峰值差值为2.72Pa，驾驶员后排乘员的耳压峰值差值为2.46Pa，副驾驶员后排乘员的耳压峰值差值为2.73Pa。优化气流通道2前后的耳压峰值差值较小，说明后排座椅与衣帽架的间隙对乘员舱内乘员的关门耳压影响较大，其它区域的通风面积增大对关门耳压影响较小，后续可将座椅与衣帽架的间隙作为降低整车关门耳压感的重点研究对象。

3.2.2 后侧围内饰通风孔优化

本次仿真所研究车型从后侧围内饰版到车身钣金泄压阀的气体流通路径为车身两侧小面积开口格栅设计，驾驶员侧的通风格栅开口面积相较于副驾驶员侧较大，在开口格栅附近设计辅助通风孔作为本次仿真的研究对象，具体优化方案如图8所示。

对比仿真计算结果，如图9所示，在左右两侧的后侧围内饰上增加辅助通风口后，驾驶员耳压峰值由172.04Pa 降到了 170.86Pa，耳压峰值减小了1.18Pa；副驾驶员耳压峰值由177.52Pa降到了176.06Pa，耳压峰值减小了1.46Pa；驾驶员后排乘员耳压峰值由171.48Pa降到了169.82Pa，耳压峰值减小了1.66Pa；副驾驶员后排乘员耳压峰值由176.91Pa降到了175.23Pa，耳压峰值减小了1.68Pa；各个位置耳压峰值的降幅均未超过了2Pa，说明在后侧围内饰板上增加辅助通风孔对乘员舱内的关门耳压影响较小。在增加辅助通风孔基础上将优化后的衣帽架气流通道 1 叠加计算，从分析结果得知：相较于增加辅助通风孔的耳压峰值，驾驶员耳压峰值减小了 13.56Pa，副驾驶员耳压峰值减小了 14.61Pa，驾驶员后排乘员耳压峰值减小了15.12Pa，副驾驶员后排乘员耳压峰值减小了15.87Pa。结合单独计算优化气流通道1的分析结果，增加辅助通风孔在原状态和优化气流通道1基础上降低乘员舱内气压效果均不明显，说明初始状态设计的小面积开口格栅基本满足乘员舱内气流泄压通风设计要求。

3.2.3 有无衣帽架对比分析

本次仿真所研究车型考虑行李舱的储物空间，考察取消衣帽架后对关门耳压的影响。分析结果如图10所示，从分析结果可以看出，相较于有衣帽架的设计状态的耳压峰值，取消衣帽架后驾驶员耳压峰值减小了16.78Pa，副驾驶员耳压峰值减小了 18.96Pa，驾驶员后排乘员耳压峰值减小了 19.84Pa，副驾驶员后排乘员耳压峰值减小了 20.81Pa。结合文中上述优化方案的结果判断，衣帽架的结构以及尺寸大小直接阻碍了乘员舱内的气流排出，不利于整车泄压，对整车关门耳压感影响较大。

4 总结

本文针对某款轿车存在的关门耳压感问题，期望通过仿真计算手段来提升关门耳压舒适性，在研究过程中首先对关门耳压感的产生机理进行了解析，然后针对原状态、不同乘员数量、优化气流通道、增加辅助通风孔和考虑取消衣帽架等方案进行仿真计算。计算结果得知，在车门关闭过程中，随着车内的乘员数量增加，乘员耳朵附件的关门耳压峰值呈线性增长；通过对优化衣帽架周边气流通道以及增加辅助通风孔等措施，判定现有设计状态的小面积开口格栅基本满足乘员舱内气流泄压通风设计要求，并结合全文的分析结果找到对关门耳压感影响较大的因素为衣帽架的结构与尺寸大小，为该车型关门耳压感的优化提供一定的方向和参考。