基于Ansys的汽車氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真分析實(shí)例

隨著車輛性能的提高及高等級(jí)公路的建設(shè),車輛的速度越來越快,車輛外流場(chǎng)的氣動(dòng)噪聲以車速的6次方的數(shù)量增長(zhǎng)。因而,當(dāng)車輛的其它噪聲得到有效的控制后,車輛的氣動(dòng)噪聲就變得尤為重要了。70年代研究人員發(fā)現(xiàn),車速為 70km/h的情況下,氣動(dòng)噪聲的范圍為62~78dB;而在速度為110km/h的情況下,氣動(dòng)噪聲的范圍達(dá)到80~90dB。新的研究表明,車速超過100km/h,氣動(dòng)噪聲對(duì)車外噪聲的影響己超過了其它噪聲。

數(shù)值模擬方法可在新車設(shè)計(jì)初期的造型階段進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè),為選型及造型參數(shù)修改提供依據(jù),從而可以較早地得到較理想的產(chǎn)品,避免產(chǎn)品缺陷。

湍流模型的選擇

氣動(dòng)噪聲模擬可以選擇幾種不同的數(shù)值方法,大渦模擬可以得到精確的模擬效果,但要求生成的網(wǎng)格質(zhì)量好,計(jì)算比較耗時(shí)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段,往往需要噪聲的大致分布情況,基于模型的噪聲源方法可以解決這一問題。

模型的湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程:

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湍流動(dòng)能耗散率輸運(yùn)方程:

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式中:

  • Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能

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  • Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能

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  • β為熱膨脹系數(shù)

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  • μt 為湍流粘度

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  • σk,σtkε的湍流普朗特常數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),模擬中使用的常數(shù)分別取值為:=0.09,σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1。

基于公司現(xiàn)在對(duì)氣動(dòng)噪聲的要求,選擇模型是比較適宜的。

模型網(wǎng)格的劃分和計(jì)算域的建立

模型是在CATIA軟件上建立的,然后導(dǎo)入ICEMCFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算的效率,對(duì)模型的底部進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),流場(chǎng)仿真計(jì)算所取的計(jì)算域到達(dá)一定的大小時(shí),汽車的流場(chǎng)就不再受計(jì)算域大小的限制。假設(shè)汽車模型長(zhǎng)為L,寬為W,高為H,則計(jì)算域的取法為汽車前部取3L,側(cè)面取4W,上部取5H,汽車后部取7L

為了解決汽車求解域大,網(wǎng)格數(shù)目多的難點(diǎn),按照離車身的距離不同,網(wǎng)格的大小也不同。離車身近的區(qū)域網(wǎng)格劃分比較密,使之能夠清楚的表現(xiàn)車身表面附近的細(xì)致情況;而遠(yuǎn)離車身的區(qū)域,網(wǎng)格可以適當(dāng)?shù)南∈?,以減少網(wǎng)格的數(shù)量,節(jié)約計(jì)算時(shí)間。最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示,網(wǎng)格數(shù)1369839。

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                                                                              圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

  • 入口邊界:入口邊界為速度邊界。

  • 出口邊界:出口邊界為壓力邊界。

  • 地面邊界:假設(shè)汽車行駛的工況,在靜止的空氣中(無風(fēng)條件下)、平直的路面上等速直線運(yùn)動(dòng)。這樣汽車與地面,汽車與空氣的相對(duì)速度均為汽車行駛速度。這種工況在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬,通常用均勻氣流流過汽車模型來模擬行駛的汽車相對(duì)于靜止的空氣運(yùn)動(dòng),顯然這導(dǎo)致了附面層問題:運(yùn)動(dòng)的氣流在靜止的地面會(huì)產(chǎn)生附面層。而實(shí)際汽車行駛時(shí),地面附面層是不存在的,只存在車身表面的附面層。為了消除在計(jì)算機(jī)模擬中的地面附面層的影響,在計(jì)算模擬時(shí)采用了移動(dòng)壁面邊界的做法。

  • 縱向?qū)ΨQ面:對(duì)稱邊界。

  • 頂面和側(cè)面:靜止壁面邊界條件。


計(jì)算結(jié)果與分析

由于車速超過100km/h,氣動(dòng)噪聲比較明顯,所以我們選擇車速100km/h和140km/h作對(duì)比。

用CFX軟件作求解器和后處理工具,從圖2可以看出,后視鏡區(qū)域、車頭、頂蓋、輪胎處及側(cè)圍后部是聲壓比較大(大于75dB)的地方,車身表面聲壓的峰值81dB。從圖3可以看出,后視鏡區(qū)域、車頭、前擋風(fēng)玻璃、頂蓋、B柱、C柱、輪胎處及側(cè)圍后部是聲壓比較大(大于75dB)的地方,車身表面聲壓的峰值84dB。相比前一種工況,聲壓較大的區(qū)域擴(kuò)大了,聲壓的峰值提高了3dB。

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                                                                     圖2 車身表面聲壓圖(u=100km/h)

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                                                                         圖3 車身表面聲壓圖(u=140km/h)


結(jié)  論

通過分析可以看出,噪聲較大的區(qū)域多發(fā)生在氣流分離,湍流運(yùn)動(dòng)比較劇烈的地方,因此優(yōu)化外形設(shè)計(jì),減少突出物對(duì)氣流分離的影響是降低氣動(dòng)噪聲的重要方法。

不同速度下,車身表面聲壓的分布圖,可以比較直觀地看到車身表面聲壓較大的地方。車速提高了40km/hr,聲壓的峰值提高了3dB。

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