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基于Actran的汽車風噪仿真技術及應用案例

當汽車行駛速度大于100km/h 時，外部風噪聲會傳播到車內。目前常用的汽車風噪聲研究驗證方法為采用CFD與CAA混合的方法,精確描述紊流導致的噪聲源：

• 后視鏡后部形成的尾跡區域；

• 側窗和A柱區域形成的湍流區。

圖1-1 汽車風噪聲形成過程示意圖

本文以Actran在Volvo公司的汽車風噪聲項目為例，介紹兩種汽車風噪聲計算方法：

• 基于瞬態CFD與Actran Aero-Acoustics聯合求解方法；

• 基于穩態CFD與Actran SNGR聯合求解方法。

本項目中采用Volvo-V70車型，研究工況為140km/h ( Mach = 0.114)。

圖2-1基于瞬態CFD與Actran Aero-Acoustics聯合求解流程

Volvo在本次項目中采用的CFD模擬軟件是Fluent。Actran支持與絕大多數CFD軟件的數據連通，如Starccm+，SC/Flow,CFX…

在CFD模擬中，瞬態分析中采用LES湍流模型，采用不可壓縮空氣模型，Δt=2E-5s，保存數據的物理時間為0.03022s到0.29022s。

圖2-2 CFD計算邊界條件及輸出數據區域

圖2-3 聲學計算區域及監測點

Actran可以設置濾波面，來消除體聲源邊界上聲源截斷產生的假性聲源。

圖2-4 濾波面示意圖

需要注意的是，當CFD的網格尺度過大，數值耗散較大時，CFD的數據就很難反映出高頻的聲波信息。網格尺度與截止頻率的關系式為：

（2-1）

其中F是聲學截止頻率，?是湍動能耗散率，Δ是網格尺度。

在CFD模擬中，聲源區域的網格平均尺度為4mm時，可以支持到的聲學截止頻率約1250Hz，如下圖所示。

圖2-5 湍動能耗散率及截止頻率

圖2-6 4mm的CFD網格對應的聲學計算結果

圖2-7 2mm的CFD網格對應的聲學計算結果

小結：

1）當采用瞬態CFD與Actran Aero-Acoustics聯合求解風噪聲時，可以得到精確的計算結果，包括計算車外噪聲和車廂內噪聲；

2）此時的瞬態CFD對網格要求比較高，一方面湍流模型的選取直接決定邊界層網格尺度；另一方面上文介紹到的截止頻率問題，CFD網格尺度直接決定聲學結果的頻率上限。

SNGR方法的基本原理是：基于RANS計算得到的時均流場的速度、湍流動能分布特性，通過添加隨機擾動的方法重新合成含有時間項的流場數據。利用ACTRAN的聲類比方法計算聲源和噪聲傳播。

湍流動能譜可以寫成以下形式：

上式中：

K為RANS計算得到的湍流動能；

是最大湍流動能對應的波數；L為RANS結果中的湍流積分長度尺度；為Kolmogorov波數；；；從RANS流場結果中得到。

由于RANS為穩態結果，為了保證可以輸出頻域的噪聲結果，需要添加與時間相關的項（下圖中的隨機函數），從而合成脈動速度。

圖3-1 SNGR方法的基本原理

圖3-2 SNGR分析流程（與第二章節比較）

SNGR方法的主要特點：

– 采用更高效、穩態的CFD數據進行CAA分析

– 可快速識別噪聲源的位置

– 可應用于不同設計/結構之間的相對水平的預測

– 中高頻段的精確模擬

該項目中采用與上述同款車型、同車速進行模擬。CFD 設置 :

– 雷諾時均方法（RANS）

– K-ε 標準湍流模型

– 不可壓縮

圖3-3 CFD計算域及聲學計算域

聲學設置內容包括：

– 聲源區域來自CFD計算域，聲源區域網格重新生成

– 聲學吸收區域（Buffer region，對應APML）在各方向均為0.05m厚

– 自適應的完美匹配層（APML）

– 設置4個可以監測Y方向聲強的虛擬麥克風

圖3-4 聲學完美匹配層及測點示意圖

計算時采用的計算機性能：(2x Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2697 v4 @ 2.30GHz 處理器，8核)

由此可知：采用SNGR方法時，CFD網格只有2.5Milloin，所以計算成本很低，且計算結果非常精確；同時在計算噪聲時可以選擇更為精確的頻率分辨率（可以設置為2Hz）。

SNGR對CFD網格的要求是什么樣的呢？是不是也有上文中的截止頻率問題。我們用兩種尺寸的CFD網格來輸出數據，并用SNGR方法計算風噪聲。分別在聲源區域采用2mm和4mm的網格尺寸（聲源區平均的網格大小）。

圖3-5. 不同CFD網格示意圖

圖3-6. 不同CFD網格對應的SNGR聲學結果

從上圖來看：

a. 兩個結果較為接近。采用SNGR方法預測風噪聲時，對CFD網格的尺度反應不靈敏，也就是不需要采用特別密集的網格來進行穩態CFD分析；

b. 采用SNGR方法時，不需要考慮截止頻率的影響；

c. SNGR計算風噪聲僅需CFD穩態流場的收斂和湍動能的準確統計即可。

下面對比SNGR方法和非定常CFD+AERO-Acoustics方法的區別。

項目中CFD的網格均采用4mm的尺寸，SNGR計算結果（SNGR計算結果需等比例縮放）與非定常CFD+AERO-Acoustics結果進行對比。

圖4-1. 兩種模擬結果與實驗測試結果對比

以上結果可知：

a. 從圖上來看，如果主要聲源區網格尺度約4mm，那么采用瞬態CFD方法+Actran聯合計算風噪時，可以計算到1250Hz左右，同樣2mm的聲源區網格可以支持到2000Hz。因此，如果獲得較為精確的風噪結果，可以采用瞬態CFD + Actran Aero-Acoustics的方法。

b. SNGR方法在低頻有些信息缺失，無法精確捕捉低頻結果；但SNGR可以很好的預測400Hz~3000Hz頻段汽車風噪聲大小；因此，由于SNGR對CFD的要求較低，中高頻利用Actran SNGR可以快速、高效且準確的預估風噪聲大小。

5.1 長安汽車風噪案例簡介

本案例是2015~2016年期間，長安汽車實施的汽車風噪項目，僅截圖展示。

圖5-1 某車型車身表面CFD網格

圖5-2 聲源求解及數據轉換模型

圖5-3 車內空腔模型

圖5-4 體聲源分布示意圖

圖5-5車內聲壓分布圖

圖5-6 某切面聲壓分布

長安汽車相關人員表示Actran滿足風噪計算需求，且技術路線合理科學，計算結果亦可反映車內真實噪聲水平。

5.2某民族品牌風噪案例簡介

該案例分別計算側窗區域兩種聲源，并計算兩種聲源傳遞到車內的響應結果。

圖5-7 兩種聲源計算過程示意圖

圖5-8車內空腔示意圖（六面體網格）

Actran自帶網格劃分功能，可以把車內空腔網格劃分成以六面體為核心的體網格，這樣總體網格數大大降低，提高計算效率。

圖5-9 車內測點頻譜曲線，由于涉密原因隱去坐標值，僅顯示趨勢

在項目執行中期階段，該品牌汽車風噪開發人員表示Actran可以完成AWPF和TWPF的計算，且車內空腔六面體網格技術效率較高，在較短的時間內得到的曲線整體趨勢與實驗吻合度較好。仿真得到噪聲曲線對窗結構的邊界條件定義較為敏感。我們觀察到仿真結果在頻率上的抖動，有可能為窗結構的邊界與實際存在不一致，產生較強的模態效應所致，這方面作為該汽車企業風噪仿真后續工作的調整方向之一。

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