基于Proudman理论的宽带声源模型在轿车气动噪声源预测中的应用
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汽车气动噪声的数值模拟分析随着车辆性能的提高及高等级公路的建设,车辆的速度越来越快,车辆外流场的气动噪声以车速的6次方的数量增长。
因而,当车辆的其它噪声得到有效的控制后,车辆的气动噪声就变得尤为重要了。
70年代,研究人员发现,车速为70km/h的情况下,气动噪声的范围为62~78dB,而在速度为110km/h的情况下,气动噪声的范围达到80~90dB。
新的研究表明,车速超过100km/h,气动噪声对车外噪声的影响己超过了其它噪声。
数值模拟方法可在新车设计初期的造型阶段进行气动噪声的预测,为选型及造型参数修改提供依据,从而可以较早地得到较理想的产品,避免产品缺陷。
文章以一款车型为例进行了气动噪声的数值模拟。
1湍流模型的选择气动噪声模拟可以选择几种不同的数值方法,大涡模拟可以得到精确的模拟效果,但要求生成的网格质量好,计算比较耗时。
在产品设计的初始阶段,往往需要噪声的大致分布情况,基于模型的噪声源方法可以解决这一问题。
模型的湍流动能输运方程:湍流动能耗散率输运方程:2模型网格的划分和计算域的建立模型是在CATIA软件上建立的,然后导入ICEMCFD软件中进行网格划分。
为了提高计算的效率,对模型的底部进行了简化处理。
根据经验,流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时,汽车的流场就不再受计算域大小的限制。
假设汽车模型长为L,宽为W,高为H,则计算域的取法为汽车前部取3L,侧面取4W,上部取5H,汽车后部取7L。
为了解决汽车求解域大,网格数目多的难点,按照离车身的距离不同,网格的大小也不同:离车身近的区域网格划分比较密,使之能够清楚的表现车身表面附近的细致情况。
而远离车身的区域,网格可以适当的稀疏,以减少网格的数量,节约计算时间。
最终网格划分结果如图1所示,网格数1369839。
3边界条件1)入口边界。
入口边界为速度边界。
2)出口边界。
出口边界为压力边界。
3)地面边界。
假设汽车行驶的工况:在静止的空气中(无风条件下)、平直的路面上等速直线运动。
电线气动噪声分析与研究目录一、引言1.1气动声学概况1.2气动声学的发展二、噪声模型介绍2.1 直接模拟模型(CAA模型)2.2 噪声比拟模型(FW-H模型)2.3宽频噪声模型三、电线气动噪声模型分析与计算3.1问题描述3.2几何建模与网格划分3.3模型计算3.4结果分析与讨论四、总结与思考五、参考文献一、引言1.1气动声学概况从史前以来,人们对由流体运动而产生的声音已十分熟悉。
在空气中的声音,人们称之为气体动力声,在液体中的声音则称它为流体(水)动力声。
风吹过树枝所产生的啸声、管乐器和水壶的唿哨声以及人的口哨声等,都是普通的气体动力声源的实例。
尽管人们长期与这种不可见的声源相处在一起,可是直到第二次世界大战结束时,人们对它的了解仍然很少。
涡轮喷气式飞机和火箭,这两个世界上最大的气体动力声源的出现促使一些优秀的科学家进行了一系列关于气动声学的研究,并用了几年的时间初步建立起了气动声学领域的理论基础。
气动声学它研究的内容是流动与声的相互作用问题,重点放在研究流动及其与物体作用导致噪声产生的机理。
所包含的基本物理过程是流体中的波动、涡和声等运动之间的相互作用。
具体问题的气动噪声是多种多样的,如叶轮机械噪声、喷气噪声、螺旋桨噪声、管道噪声等。
气动噪声不仅引起环境污染,还会造成结构的疲劳和破坏。
在军事上,预防并减少噪声显得尤为突出。
所以,理解、预测并最终能控制气动噪声具有非常重要的意义。
由此可见,气动声学是介于气体力学和声学基础这两门学科之间的一门交叉性和边缘性学科。
当今国内外从事气体动力学和声学研究的工作者,都怀着很大的兴趣对气动声学进行研究,当然,研究的侧重点各有不同。
气动声学在近二三十年才获得发展,其主要原因有两个:一是由于第二次世界大战后,大型喷气式飞机问世所带来的巨大噪声污染,以及近几十年来,随着世界各国对环境保护工作的重视而不断要求降低诸如通风、空调、冷却器、汽车、高速列车等系统中出现的气动噪声污染所致。
气动噪声的数值模拟和研究气动噪声是一种由于气流经过物体或是空气之间互相摩擦时产生的声音。
这种噪声的来源广泛,从家用电器、汽车发动机到风力发电机、飞机引擎都可能会产生气动噪声。
随着工业化和城市化的发展,气动噪声已经成为人们生活中不可避免的一部分。
因此,为了改善人们的生活环境和促进工业的健康发展,对气动噪声的数值模拟和研究显得尤为重要。
气动噪声的数值模拟是基于数值计算方法的研究,其核心是CFD(计算流体力学)。
CFD是应用数学、物理和计算机科学的学科领域,是一种通过数字方法解决流体运动方程的技术。
在CFD的数值计算中,气体或流体流动过程中的各种参数和特性都能够通过数值计算得出,这样就能够较好地模拟出气动噪声的产生过程。
数值模拟能够提供详尽的求解结果,在气动噪声研究中被广泛应用。
通过优化流体流动过程和物体的形状,能够减轻或消除气动噪声的产生。
例如,针对风力发电机叶轮的气动噪声问题,可以对其外形进行优化,并通过数值模拟得出不同形状的叶轮在不同条件下的噪声效果,以此来选择最优解。
气动噪声的数值模拟需要依靠多重参数,包括风速、压力、粘度等。
这些参数对噪声的产生和传播都有影响,并且相互之间的关系也会影响噪声的产生情况。
因此,数值模拟是一项复杂的工作,需要结合实际测试数据和理论研究,才能得出准确的结果。
除了数值模拟,还可以通过实验手段来研究气动噪声。
实验是一种验证数值模拟结果的有效方法,也能够直接获取噪声产生时的音压级和声学能量等参数。
然而,实验也存在着成本高、时间长、数据难以获取的问题。
因此,气动噪声的数值模拟研究在实际应用中更为常见。
气动噪声不仅对人们的生活和工作造成影响,而且还可能对环境产生影响。
随着环保意识的提高,人们开始越来越关注气动噪声的研究和处理。
气动噪声的数值模拟和研究为人们提供了一种有效、可靠的方法,能够更好地把噪声控制在合理范围内,实现更高效、更环保的工业和生活方式。
总之,气动噪声的数值模拟和研究是一个不断发展和完善的领域。
环境影响评价中的噪声预测理论模型之前在许昌市规划项⽬中研究了城市的噪声污染问题,对规划⽅案进⾏了噪声评价,得到了相关的结果和治理⽅案,这属于环境影响评价的内容,下⾯是研究所采⽤的噪声模型。
道路交通噪声预测理论模型1.1 FHWA模型1978年,Barry和Reagan在美国提出FHMA模型,这种模型是针对连续的公路进⾏噪⾳预测的数学模型。
FHMA将所有机动车分为了三类:私家车,中型卡车和重型卡车。
针对路况,交通和车型,提出噪⾳等级预测公式。
FHWA将连续的道路分割成为线段,然后参考每⼀类车辆在平常情况下⾏驶时的平均噪⾳等级,⾸先根据车流量和其他交通因素进⾏修正,然后根据地图坐标⽤垂直距离和⾓度进⾏修正,再判断道路情况(hard site or soft site),最后计算周围环境算出最终的噪⾳等级。
与其他模型不同,FHMA更注重观测者与噪⾳源的距离和观察⾓度。
FHWA模型在国内外应⽤⼗分⼴泛,我国交通部出台的《公路建设项⽬环境影响评价(试⾏)》中采⽤的噪声预测模型就是在FHWA模型的基础上结合经验[7]。
模型包括两部分,公式如下:值制定的第⼀步:i型车辆⾏驶于昼间或夜间,预测点接收到⼩时交通噪声值按下式计算:(L Arq)I =(公式⼀)其中:(LArq)i——i型车辆⾏驶于昼间或夜间,预测点接收到⼩时交通噪声值,dB;LWoi——第i型车辆的平均辐射声级,dB;N——第i型车辆的昼间或夜间的平均⼩时交通量(按附录B计算),辆/h;u——i型车辆的平均⾏驶速度,km/h;T——L Arq的预测时间,在此取lh;ΔL距离——第i型车辆⾏驶噪声,昼间或夜间在距噪声等效⾏车线距离为r的预测点处的距离衰减量,dB;ΔL纵坡——公路纵坡引起的交通噪声修正量,dB;ΔL纵坡——公路路⾯引起的交通噪声修正量,dB。
第⼆步:各型车辆昼间或夜间使预测点接收到的交通噪声值应按下式计算:(公式⼆)式中:(LArq)L、(LArq)M、(LArq)S——分别为⼤、中、⼩型车辆昼间或夜间,预测点接收到的交通噪声值,dB;(LArq)交——预测点接收到的昼间或夜间的交通噪声值。
汽车整车⽓动声学风洞风噪试验-车内风噪测量⽅法汽车整车⽓动-声学风洞风噪试验—车内风噪测量⽅法1范围本标准规定了在3/4开⼝回流式低速⽓动-声学风洞中进⾏整车车内风噪测量的⽅法,给出了⽓动-声学风洞测量平台及其⽓动和声学环境、测量仪器设备、车辆及安装的要求,车内风噪评价指标,保证所得的结果具有1级准确度。
本标准规定的⽅法适应于整车实车,包括乘⽤车、微型客车及轻型商⽤车,包括对应尺⼨的模型(油泥模型、硬质模型)。
允许的重量和尺⼨要视风洞规格⽽定。
本标准规定的⽅法所获取的结果可以评价车内风噪⽔平,也可以结合不同的车辆测试状态诊断噪声源、风噪传播路径问题。
2规范性引⽤⽂件下列⽂件中的条款通过本标准的引⽤成为本标准的条款。
所有标准都会被修订,使⽤本标准的各⽅应探讨使⽤下列标准最新版本的可能性。
GB/T 3947-1996 声学名词术语GB 3785-83 声级计的电、声性能及测试⽅法GB/T 15173-94 声校准器GB/T 18697 声学汽车车内噪声测量⽅法GB/T15508 声学语⾔清晰度测试⽅法GB/T15485 声学语⾔清晰度指数的计算⽅法ISO 532-1:2017 声学响度计算⽅法:第⼀部分Zwicker⽅法(Acoustics - Methods for calculating loudness-Part 1: Zwicker method)JJF1059-1999 测量不确定度评定与表⽰ISO3745 声学⽤声压法测定噪声源声功率级.消声室和半消声室精密法(Acoustics- Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure- Precision methods for anechoic and hemi-anechoic rooms)3术语和定义3.1风洞Wind tunnel以⼈⼯的⽅式产⽣并且控制⽓流,⽤来模拟汽车或实体周围⽓体的流动情况,并可量度⽓流对实体的作⽤效果以及观察物理现象的⼀种管道状实验设备。
2024年汽车噪声控制技术的最新进展与发展趋势摘要:对汽车噪声控制技术领域的最新进展及发展趋势进行综述,包括噪声控制技术在汽车新产品设计中的应用(整车级别的声学品质目标设定、系统和元件级别的声振特性目标设定)、NVH仿真分析的置信度、NVH虚拟环境技术、车辆噪声控制的材料及结构技术等相关主题。
关键词:汽车噪声控制技术趋势1前言近年来,随着发动机技术的突飞猛进,发动机噪声有较大幅度的降低。
发动机之外的其他噪声来源如传动系噪声、轮胎噪声、排气噪声以及车身壁板结构振动辐射噪声等,对车辆整体噪声的贡献份额相对增大,对它们实施控制的重要性也与发动机噪声控制同样重要。
车辆噪声控制问题的复杂程度剧增,主要体现在噪声控制方向的模糊性、广泛性,以及各类噪声来源与车辆整体噪声水平之间的弱相关性。
这里需要指出,由车身壁板结构振动辐射的噪声,在车内空间建立声场并与车身结构振动相耦合,其噪声能量主要集中在低频。
对于这类噪声,特别是在20~200Hz的频段内,给人的主观感受是一种所谓的“轰鸣声”,即通常所说的“Booming”,能造成司乘人员强烈的不适感。
在如此低的频段内,常规的吸声降噪措施几乎无效。
目前,主动消声技术尚不成熟,由于其用做控制声源的大体积低频扬声器的空间布置受到限制,亦不能很好地实现工程应用。
事实上,对Booming的控制仍是目前世界性的难题。
当前,同档次车型在常规性能方面的综合性价比越来越接近且均已达到较高水平,因此,提高车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。
在此背景下,车辆的NVH(Noise/Vibration/Harshness)性能正逐渐演变为重要的设计指标,这也是用户所关心的整车性能指标之一。
汽车噪声控制水平必将成为决定车型开发成功与否的不可或缺的重要因素之一,与之相关的分析、测试及材料技术等自然成为汽车工程领域关注的新焦点。
2噪声控制技术已应用在汽车新产品的设计阶段国外一些汽车公司已将噪声控制的理念和技术纳入到新车型设计流程的关键环节,例如概念设计、技术设计以及改进设计等阶段,以期从设计源头上确保车辆的NVH品质。
第32卷第5期 四川兵工学报 2011年5 A 【制造技术】
基于Proudman理论的宽带声源模型 在轿车气动噪声源预测中的应用
郑拯宇 (重庆理工大学重庆汽车学院,重庆400054) 摘要:利用计算流体力学方程求解的有限体积法,针对某轿车模型,在定常流下采用双方程k—s湍流模型对不同工 况下整车外流场模型进行数值仿真分析,获得车辆附近流场的压力、速度、湍流动能k和湍流动能耗散率s等物理量 的分布特征。在此基础上,采用宽带噪声源模型中的Proudman公式对空气动力学特征下的车体表面噪声源分布规 律进行了预测分析。研究了沿车身纵向和横向分布的车体表面气动声源的表面声功率级(APL)分布特点,分别对 轮胎以及侧后视镜、天线等突出部件的声源区的分布及其形成原因进行探讨。 关键词:车辆工程;气动噪声;宽带声源模型;Proudman公式 中图分类号:U463.4 文献标识码:A 文章编号:1006—0707(2011)05—0054—04
空气动力学特性下的环境噪声污染控制日益引起人们 的关注,噪声水平已成为衡量高速车辆质量的重要标志之
一。
当车辆高速行驶时,由于车身表面对周围的空气流场产
生剧烈的扰动,流场在车辆表面形成一个具有复杂气流状态 的边界层,其中不断移动的不同尺度涡和湍流相互作用而产 生压力的脉动,此脉动压力与流场密切相关,是诱发车辆气 动噪声的根本原因…。研究表明:车辆行驶时气动噪声随速 度的6次方增长,即使在60 km/h的速度下,气动噪声已经 明显地影响到车内 J。但当车速超过100 km/h时,气动噪 声的影响已超过其他噪声,成为主要的环境噪声污染源 。 目前,在我国尚不具备大型低噪声汽车风洞试验的条件下, 使用数值模拟方法预测气动噪声,为风洞试验或实车道试验 方案提供参考,并为产品设计提供依据是可行的。 在考虑湍流的许多实际应用中,噪声并不存在清晰的音 调,噪声能是在一个宽频带范围呈连续分布的。在这种宽频 噪声的条件下,可以从RANS方程计算统计意义上的湍流 量,并结合半经验公式和Lighthill气动噪声比拟理论来解决 宽频噪声问题,而宽带声源模型中的Proudman噪声能近似 公式用于预测流场噪声问题的方法在国内外某些领域已得 到一定范围的应用和验证 “j。由于稳态RANS方法能够 定性表达轿车模型外流场流动状态,气动阻力系数计算精度 可以满足工程要求,因此本文在稳态下采用双方程k—g湍 流模型 对不同工况下整车外流场模型进行数值仿真分析, 得到流场相关物理量分布特征,在此基础上利用宽带声源模 型技术中的Proudman声能公式对某轿车模型表面附近的气 动声源强弱分布进行数值预测分析。
1 基于Proudman理论的Lilley宽带声源 模型
1952年Lighthi11 提出将流场和声场分开处理的Light— hill声比拟理论(Aeroacoustics analogy)。在没作任何简化和 假定前提下,Lighthill将所有分析都建立在最基础的层次上, 直接从NS方程出发导出,把方程左边表达成为经典的声学 波动方程,而把所有偏离波动方程的项都移到了方程的右边 作为源项,这些源项是可以通过试验或计算的途径(DNS、 LES甚至是利用湍流模式理论)获得,并认为声场是声源所 产生的声波在静止介质中进行传播。同时,Lighthi11在分析 中指出:在通常情况下,若马赫数足够小,则流体的声能输出 是与马赫数的5次方成正比的 ,即P。cM5。 Proudman在文献[9]中利用Lighthill声比拟理论推导出 各向同性湍流中声能公式。1993年Lilley lo]将公式推导中
原本忽略的延迟时间微分项考虑进去,并重新推导了Proud— mail公式,导出了各向同性湍流单体积中所产生的声能: 1 5 P =otp。(牛1 (1) 、 ,a
0 对于k和s,式(1)又可写为
PA= 0s肘 (2) 声功率级为 P. =101og( ) (3)
i r
式(1)~(3)中:u为湍流速度;l为湍流特征尺度;‰为声速
度;or为模型常数; = /‰;a 设置为0.1。 以上理论分析可知,必须基于较高雷诺数和较低马赫数 的各向同性湍流前提条件,而车辆在平稳行驶过程中其流场
收稿日期:2011—03—18 基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC,2008BB7341);重庆市教委科学技术研究项目(KJ10081) 作者简介:郑拯宇(1969一),男,博士研究生,讲师,主要从事工程力学、车辆工程空气动力学与环境工程研究。 郑拯宇:基于Proudman理论的宽带声源模型在轿车气动噪声源预测中的应用 55 是基本满足这一前提的… 。 2实例应用分析 2.1模型准备 本文数值分析所采用的车型为日本丰田雅力士1.6RS。 车身基本数据分别为:长、宽、高分别为3 750、1 695、 1 545 mm,轴距为2 460 mm,前轮距为1 460 mm,后轮距为 1 460 mm。模型充分考虑了轮胎、车头鼻端、进气口、侧后视 镜、车把手及天线等车身突出部件或曲面曲率变化较大之处 对于车身表面外部流场的扰动并由此所导致气动噪声。 流场计算域为长方体形状,人口距离车身前端2倍车长, 出口距离车身后端4倍车长,高度为4倍车高,宽度为4倍车 宽。由于曲面构成较为复杂,故车身表面贴体网格采用三角 形网格,以便体网格在此基础上进行拉伸从而形成近壁网格 层,如图1所示。空问采用四面体网格,空间体单元约为95 万。因为采用稳态湍流模型,利用对称性,沿车身纵向对称平 面哉取一半作为计算域以节约计算机资源,如图2所示。
图1 车身表面贴体网格
图2流场体网格截面 2.2求解控制 数值分析采用大型流体分析软件FLUENT,模型采用稳 态下k—s湍流两方程计算模型,人口采用速度边界条件,出 l=__】采用压力边界条件。地面采用滑移壁面边界条件(moving wal1),其速度大小与车速相同,对称条件比较接近实际的远 场流场,故因此顶及侧面采用对称边界条件。分析特征为稳 态计算,湍流模型采用涡黏性模型中的k—s湍流两方程模 型,这种模型的湍流黏性系数 = /e包含r部分历史 效应,将湍流黏性系数和湍流动能与湍流动能的耗散率联系 彳E一起。在压强/速度耦合计算中采用SIMPLEC算法,达代 求出P、u、 的收敛解,以获得较好的计算精度和较高的稳 定性 ” 。 本文根据目前汽车常用车速工况,将算例分为5组进行 计算,具体的参数如表1所示。
表1工况参数设置
3数值分析结果分析 3.1轿车外部气流场分析 经过160次的迭代计算,120 km/h轿车的风阻系数cd 收敛于是0.298,在不同车速工况下所计算的风阻系数值在 0.283至0.3之间小幅波动,与雅利士1.6RS风阻系数参数 0.29相符,证明所建流场模型的有效性。 流场中前方平稳来流在车头前缘的阻碍作用下,一部分 气流沿车身两侧及上部曲面向后流动,另一部分气流呈一定 的压缩流动形式在地面及车底间空间运动。轿车车身表面 周围的空气流动情况如图3所示。
图3轿车流场流迹 轿车模型表画压力分布情况如图4所示。可以看出:在 车头前缘、后视镜保护罩曲面顶以及前轮前部胎面等首先接 触来流部位,气流受阻,速度大大降低,气流的动压变为静 压,是主要的正压区发生区。发动机罩中后部是气流分离 区,气流运行至前窗部位时气流受阻,流速减慢,在前窗下部 56 四川兵工学报 产生正压区。汽车尾部复杂的紊流区主要由于汽车周围涡 系和尾部涡系组成。
图4 120 km/h轿车表面压力分布云纹图 侧后视镜由于靠近车身前侧部并与车身相接,其保护罩 曲面曲率变化较大,自身流场与车身流场相互干扰。从流迹 图(图5)上可以看出此处流场较为复杂。总体上,由于侧后 视镜保护罩曲面顶部首先与来流接触,其阻碍作用使得该处 气流流速较慢,产生正压区,表面最大流速发生在侧后视镜 曲率变化较大的防护罩外侧边缘附近,产生负压。在其后部 流场区域出现一对上下分布的纵向涡,随后视镜尾流发展, 涡强减弱,涡系与车身侧面附近流场相互作用,从而在车身 侧面侧后视镜的靠后区域形成特殊的负压区。 沿轿车纵向( 向)和横向(z向)的车身上下表面风压 力系数分布情况分别如图6和图7所示。沿 向,车身前部 存在滞点,其风压力系数值为0.937;上表面风压曲线在前窗 下部附近(一1.1 m处)出现一个峰值,车身中段是主要负压 区。沿z向,曲线大致为中高边低的趋势。
l 0 O 8 0 6 0 4 O 2 O .0
.0
.0
.0
.1
图5侧后视镜附近流场轨迹 .1 5-1 0.0 5 0 0 5 1 0 1 5 X-Position ofCar/m
图6 沿X向车身上\下表面风压力系(Cp)分布曲线
Z—Position ofCar/m 图7 沿z向车身上\下表面风压力系(cp)分布曲线
3.2车身表面噪声源分布分析 通过稳态下的数值仿真计算,得到各种相关的流场物理 参数。在此基础上利用Proudman声能公式,得到湍流中单 位体积中所产生的声能 的分布情况,并引入声功率级函 数LP=10log(PA/P ),其中Pr,s=10 W/m ,为参考噪声 能。所研究轿车模型车身表面声功率级(APL)分布的等值 线分布如图8所示。从图8中等值线分布情况可以看出,车 体表面较大气动声源区主要集中在侧后视镜、车门把手、天 线、轮胎翼子板后下缘和车尾部侧后曲面下端以及后窗靠近 扰流板的上部的中轴线附近,而在车头鼻端进气口附近,尽 管其曲面变化复杂,但所产生的气动声源贡献量较小。前轮 主要声源区发生在轮彀内后侧面和后部胎侧两端等扰流波 动较大处,而后轮附近流场由于前轮尾涡的延伸以及车底下 部紊乱流场以及自身湍流场相互作用,主要声源区出现在前 端胎面下部及后部胎侧等部位。 车身表面如侧后视镜、车门把手、天线等突出部件,由于 自身湍流场与车体表面附面层湍流场的相互作用,在其车体 表面附近的声源强度较大。其中,侧后视镜在其后部形成尾 涡系,并与车侧附面层流场相互干扰,使得侧后视镜的主要 声源区发生在保护罩外侧边缘和镜面上,并使得靠近侧后视 镜的车体表面附近的声源有所增强。侧后视镜及其附近表 面声功率级云图如图9所示,当车速为120 km/h时在镜罩 外侧边缘出现APL极值,为76.2 dB左右。 为了更好地了解声源在车身表面的分布情况,对数值分 析结果数据进行相关处理,分别得到如图1O和图11所示沿 车身纵向( 向)、横向(z向)节点平均表面声功率级(APL) 分布曲线。
图8 120 km/h车身声功率级(APL)分布等值