汽車流固聲耦合車內車外噪聲仿真

  汽車噪音既是影響駕駛及乘坐舒適度的重要因素，也是汽車質量問題的一個切入點。當前汽車噪音主要包括發動機、傳動系統、行駛過程與空氣和路面接觸、車身振動這四個方面，其產生來源主要與汽車設計、原材料選擇以及裝配工藝、駕駛習慣等相關。伴隨著消費者需求的日漸嚴苛以及汽車競爭的日趨激烈，需要強化汽車噪音控制，通過優化設計、注重生產控制以及針對不同類別的噪音采取針對性管控等一系列措施的實施，以此實現汽車噪音的有效控制。

根據我們國家有關制度規定，汽車噪音屬于環境污染范疇，其對周圍環境能夠產生一定的危害，會對人們的聽力以及心情產生一定程度上不利影響，因此加強汽車噪音管控，減少噪音危害不僅具有環境保護價值而且還具有一定社會意義。

汽車中車身的噪聲，包括車輛行駛時發動機、底盤燈與路面產生的機械共振聲以及空氣經過車身或是車身外面突起物而產生的渦流噪聲。

流固耦合仿真

流體結構相互作用 (FSI) 是指一種耦合的表面問題。從流體傳遞到固體的信息是流體壓力和拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發生在耦合壁面邊界（流體-結構交界面）上；從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。雙向耦合 FSI 是指從流體到固體和從固體到流體的雙向交換數據，即流體拉力使得固體產生變形，而固體變形又使流體的流道發生變化，雙向耦合要求并行求解策略。

氣動聲學仿真

氣動聲學是多物理場建模和模擬的一個分支，涉及由流體流動引發的噪聲源和隨后所產生的聲波傳播，聲音產生的主要機制可歸類為：

?渦流脫落噪聲

從流體中的鈍體釋放的渦旋，因渦流脫落引起的體上的時間變化循環會在體本身上產生波動力，該波動力將傳遞到流體并作為聲音傳播。

?湍流結構相互作用噪聲

碰撞在固體表面上的渦旋結構產生局部壓力波動。

?尾緣噪聲

因邊界層不穩定性與表面邊的相互作用產生噪聲，例如旋轉葉片上的流動產生的噪聲。

1.寬帶噪聲源模型

在近場噪聲預測中，寬帶噪聲源模型用于計算主要噪聲源的位置和強度。在頻率域中，寬帶噪聲具有連續的頻譜，其中，聲能在給定范圍內的所有頻率處連續分布。噪聲源包含偶極源的表面分布（Curle模型）和四極源的體積分布（Proudman模型）。

2.Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）氣動聲學模型

FW-H氣動聲學模型是基于積分公式預測遠場聲學，該模型可計算遠場聲信號，這些信號由CFD求解得出的近場流場數據擴展得到，目的是預測每個接收器位置處的小振幅聲壓波動。FW-H聲學模型只用于預測自由空間中的聲音傳播，不包括聲音反射、折射或材料改性等效果。FW-H模型是將連續性方程和動量方程精確地重新整理為不均勻波方程形式，即使在積分表面位于非線性流體區域中的情況下，FW-H方程的結果同樣精確，其根據自由空間格林函數來計算接受器位置處的聲壓。

3.直接噪聲模擬

直接噪聲模擬需要求解整個流場以進行全面的非穩態模擬，要計算空氣動力生成的聲學特性，需要記錄點（探頭）或表面上隨時間變化的靜壓。直接噪聲模擬需要高數字分辨率來捕捉聲壓擾動的空間和瞬態效應，在后處理中，可使用傅里葉變換 (FT)進行光譜分析。直接噪聲模擬可以直接在CFD模型中預測靠近聲音產生源的噪聲級；但是，使用直接模擬來預測距離聲源有一段距離的噪聲成本高昂，此時建議使用FW-H氣動聲學模型。

本教程采用流固聲耦合仿真的方法，對汽車車內和車外的噪聲進行計算，汽車模型如圖。汽車高速行駛，空氣流過車身在車外產生渦流，進而產生壓力波動，生成噪聲；同時汽車在外氣動力的作用下，車身產生振動，該振動向車內傳遞，帶動車內氣體振動，車內氣體產生壓力波動，進而在車內生成噪聲。在進行汽車流固聲耦合計算時，車外的噪聲計算采用FW-H遠場聲學模型，車內的噪聲采用大渦模型進行計算。

 本教程采用的汽車幾何模型做了大量簡化，在計算流固耦合時，只計算車身殼體的耦合振動，未包含其他汽車零部件；在車內，未設置任何隔音及吸音結構，而實際聲音向車內傳播要考慮介質吸收，如車門，玻璃等對不同頻率的聲音吸收效果不同，這里車內噪聲的計算只考慮了車身振動產生的噪音。

 結果分析

對計算得到的結果進行傅里葉變換得到聲壓與頻率的關系。

聲壓與頻率的關系如圖

   聲壓波動如圖