（载运工具运用工程专业论文）高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：马两姨 加年6 月l j 日 指导教师签名：7 s d , 彬 p_ 2 日、年月i 弓日 高速轿车外流场对车内噪声的 影响分析及预估 a n a l y s i sa n de s t i m a t i o no ft h ei n t e r i o rn o i s eu n d e rt h ei n f l u e n c e o f t h eh i g h - s p e e d i n gv e h i c l ee x t e r n a l a i rf l o w 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车技术的发展，曾在车内噪声中占主要地位的发动机噪声、传动系噪声、 排气噪声以及路轮胎噪声等几种噪声得到了有效的控制，且随着车速的不断提高， 气流噪声已成为当前高速车辆最主要的噪声之一，并已经明显地影响到了车内的噪 声值。因此对车内气流噪声的研究无论从学术还是从现实的角度来说，都具有重要 意义。分析了前人在流体力学及气流噪声两个方面的成果，并根据其提出了本文的 主要研究内容：车辆高速行驶时，车身与周围相对高速流动的气流相互作用，在车 辆周围及内部产生气流噪声的内在机理；对车辆外流场、外表层附近湍流和车身表 面脉动压力场进行理论分析与计算；将脉动压力作为声学分析的边界条件，最终得 到车内驾驶员及前后排乘员耳旁噪声。 对车内气流噪声的产生的理论基础进行了分析，得出车辆外部气流噪声只与车 辆表面压力的脉动量有关，表面的脉动压力是车辆气流噪声的源，而且车辆气流噪 声主要由偶极子源噪声组成。脉动压力通过两种途径传入军内，即车外气流噪声， 通过门、窗等处的孔缝直接向车内传播，这部分成为泄漏声；外部脉动压力作用于 车身的壁板和门、窗等处，造成门、窗和车身壁板振动，从而向车内空间辐射噪声， 成为穿透声。 在上述理论基础上，运用c f d 技术对脉动压力进行了仿真，并分析了高速行驶 时车辆的外流场特性，分析表明，外流场特性图与关键点处的脉动压力计算值较吻 合，即静压力等值线越密的地方，该处的脉动压力级越大。运用有限元流体模型， 在侧窗两个小孔处以表的形式施加脉动压力，将计算所得频谱按能量幅值叠加，得 到场点处的泄漏声；以脉动压力作为边界条件，运用边界元，在s y s n o i s e 中利用 声固耦合方法，将车辆乘坐室划分为多个单元，分别在各个单元上施加单位脉动压 力，最终将各个单元在场点处的频谱按能量幅值叠加，得到指定场点处的总声压级， 即为穿透声。 为了验证上述仿真结果的准确性，进行了汽车模型的风洞试验，得到了车身左 i 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 侧窗处的脉动压力及车内气流噪声。将计算结果与实验数据相比较，发现两者存在 一定的误差。主要原因可能是：网格中局部例如a 立柱区域附近、及车身大的拐角 处划分不够精细，使得脉动压力计算值偏大，从而使得车内气流噪声的计算值也偏 大；实验风洞中，流场品质如风速大小、方向的均匀性、紊流度等可能不稳定，导 致了实验数据偏小。从实验值及计算值均可以看出，在存在泄漏的情况下，泄漏声 的影响明显较穿透声大。 关键词：高速轿车；脉动压力；车内；泄漏声；穿透声 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , a n da st h ee n g i n en o i s e ，t r a n s m i s s i o n n o i s e ，e x h a u s tn o i s ea n da sw e l la st h er o a d - t i r en o i s eh a v eb e e ne f f e c t i v e l yc o n t r o l l e di n i n t e r i o rn o i s e ，a e r o d y n a m i cn o i s eh a sb e c o m et h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tn o i s ei n h i g h - s p e e dv e h i c l e sa st h ec a rs p e e di si n c r e a s i n g ，a n di th a se v i d e n t l ya f f e c t e dt h ei n t e r i o r n o i s ev a l u e s ot h es t u d yo fa e r o d y n a m i cn o i s ei ni n t e r i o rv e h i c l e si ss i g n i f i c a n c ef r o m b o t ho fa c a d e m i ca n dt h er e a lc o n d i t i o n t h er e s u l t so ff l u i dm e c h a n i c sa n df o r m e r a e r o d y n a m i cn o i s ea r ea n a l y z e d ，a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sp r o p o s e d ， w h e nt h ec a ri nh i g h s p e e d ，v e h i c l eb o d ya n dh i g hs p e e da i rf l o wa r o u n dt h ev e h i c l ea r e i n t e r a c t i n g ，a n di n t e r n a l l yg e n e r a t i o no ft h ei n n e rm e c h a n i s mo fa i rf l o wn o i s e ；t h es u r f a c e a i rf l o wf i e l d ，t u r b u l e n c ea n dt h es u r f a c ef l u c t u a t i n gp r e s s u r ef i e l do ft h ev e h i c l eb o d ya r e a n a l y z e di nt h e o r ya n dc a l c u l a t e d a n db a s e do nt h ea b o v e ，a st h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r et o t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fa c o u s t i ca n a l y s i s ，a n dt h en o i s ev a l u e so ft h ec a rd r i v e r sa n d t h ep a s s a g e s e a ra r eo b t a i n e df i n a l l y t h eb a s i st h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eg e n e r a t i o no ft h ei n n e ra e r o d y n a m i cn o i s ei s c o n d u c t e d t h ee x t e r n a la e r o d y n a m i cn o i s eo fv e h i c l e si so n l yd e p e n d e n to nt h ea m o u n to f s u r f a c ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e ，w h i c hi st h es o u r c eo ft h ea e r o d y n a m i cn o i s eo fv e h i c l e sa n d m a i n l yc o m p o s e db yt h ed i p o l en o i s es o u r c e t h e r ea r et w ow a y so ft h ef l u c t u a t i n g p r e s s u r ep a s s e dt h r o u g ht oi n t e r i o ro ft h ev e h i c l e ，a e r o d y n a m i cn o i s eo u t s i d et h ec a r t h r o u g ht h ed o o r s ，w i n d o w s ，e t c o ft h ea p e r t u r et r a n s m i s s i o nd i r e c t l yt ot h ec a r , w h i c hi s c a l l e dl e a kn o i s e ；e x t e r n a lf l u c t u a t i n gp r e s s u r ea c t i n go nt h eb o d yp a n e l sa n dd o o r s ， w i n d o w s ，e t c ，r e s u l t i n gi nv i b r a t i o no nw i n d o w s ，d o o r sa n db o d yp a n e l ，w h i c hc a u s ei n n o i s er a d i a t i o nt ot h ei n t e r i o rs p a c e ，w h i c hi sc a l l e dp e n e t r a t i n gn o i s e n u m e r a ls i m u l a t i o no ff l u c t u a t i n gp r e s s u r ei sc o n d u c t e db yu s i n gc f d t e c h n i q u ei n t h ep r e m i s eo ft h et h e o r e t i c a la b o v e ，a n dt h ea i rf l o wf i e l df e a t u r e so ft h ev e h i c l ea th i g h s p e e di sa n a l y z e d i ts h o w st h a tt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i cd i a g r a mi sc o n s i s t e n tw i t ht h e c a l c u l a t e dv a l u eo ff l u c t u a t i n gp r e s s u r eo nc r i t i c a lp o i n t s ，w h i c hm e a n st h a tm o r ed e n s e a r e a so ft h es t a t i cp r e s s u r ec o n t o u r , m u c hg r e a t e ro ft h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r el e v e l t w o s m a l lh o l e sa r es e to nl e f ts i d ew i n d o wa n df l u c t u a t i n gp r e s s u r ei si m p o s e di nt h ef o r mo f t a b l eo nf e mf l u i dm o d e l ，t h el e a kn o i s ei sg e tb yc a l c u l a t i n ga m p l i t u d es p e c t r u mo n s u p e r p o s i t i o no ft h ee n e r g y ；a st h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r et ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o da n ds o u n d s o l i dc o u p l i n gm e t h o di ns y s n o i s ea r eu s e d ，t h e i i i f 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 c o m p a r t m e n ti sd i v i d e di n t o m u l t i p l eu n i t s ，e a c hu n i t i s i m p o s e d i np e rf l u c t u a t i n g p r e s s u r e ，a n du l t i m a t e l yt h ep r e s e n c eo ft h ev a r i o u su n i t sa tt h ep o i n to ft h ea m p l i t u d e s p e c t r u mb ys u p e r p o s i t i o no ft h ee n e r g y a r eo b t a i n e do ft h ef i e l dp o i n t s ，w h i c hi s p e n e t r a t i n gn o i s e i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w i n dt u n n e lt e s t so ft h ec a r m o d e la r ec a r r i e do u t ，a n df l u c t u a t i n gp r e s s u r el e v e la tt h el e f ts i d ew i n d o wa n di n t e r i o r a e r o d y n a m i cn o i s ev a l u e sa r eo b t a i n e d t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t aa n dw ec a nf o u n dt h a tc e r t a i nd e g r e e so fe r r o ra r ee x i s t e d m a i nr e a s o n sm a yb en e x t ： t h em e s h i n gp r e c i s i o ns u c ha st h eg r i da r o u n dt h ea - p i l l a rr e g i o na n dt h es h a r pc o m e ro f t h ev e h i c l eb o d yi sr o u g h ，w h i c hm a k e st h ec a l c u l a t e dv a l u ei sl a r g e rt h a nf l u c t u a t i n g p r e s s u r el e v e l ，a l l o w i n gt h ec a l c u l a t i o nv a l u eo ft h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s ei s a l s o l a r g e r ；t h ef i e l dq u a l i t ys u c ha sw i n ds p e e d ，d i r e c t i o n ，u n i f o r m i t y , t u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n d s om a yb eu n s t a b l ei ne x p e r i m e n t a lw i n dt u n n e l ，w h i c hm a yr e s u l ti nas m a l le x p e r i m e n t a l d a t a b o t hf r o mt h ee x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t e dv a l u e s ，i ti sk n o w nt h a ti nt h ec a s eo f l e a k s ，t h ee f f e c to fl e a kn o i s ei so b v i o u sl a r g e rt h a np e n e t r a t i n gn o i s e k e yw o r d s ：h i g h s p e e d i n gv e h i c l e ，f l u c t u a t i n gp r e s s u r e ，i n t e r i o r ，l e a kn o i s e ， i v p e n e t r a t i n gn o i s e 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究历史和现状1 1 2 1 国外研究概况1 1 2 2 国内研究概况4 1 3 本文主要研究内容5 1 4 本章小结6 第二章车内气流噪声研究的理论基础7 2 1 气动声学波动方程相关理论7 2 1 1 流体动力学基本方程。7 2 1 2 运动流体发声的波动方程一9 2 2 流场中的声源1 1 2 3 气流噪声的产生【3 3 1 【3 4 1 1 2 2 4 车内气流噪声产生原理1 3 2 5 本章小结1 6 第三章 高速车辆车身脉动压力的数值模拟1 7 3 1 脉动压力的数值计算1 7 3 1 1 计算域的确定1 7 3 1 2 网格划分1 8 3 1 3 边界条件设置1 9 3 1 4 求解。2 0 3 2 计算结果及分析2 2 3 2 1 汽车周围流场分析2 2 3 2 2 车身表面脉动压力的分析2 5 3 3 本章小结3 1 第四章驾驶室内气流噪声的模拟计算。3 2 4 1 车内噪声分析方法3 2 4 2 声学边界元积分方程3 3 4 2 1 声场波动方程3 3 4 2 2 声场边界条件3 3 4 2 3 h e l m h o l t z 方程的边界积分关系式3 4 4 2 4 驾驶室内声场边界积分方程3 5 v 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 4 2 5 驾驶室内声场边界积分方程的数值分析3 8 4 2 6 压力一声传递函数的概念4 0 4 3 车内噪卢计算。4 0 4 3 1 泄漏声计算。4 1 4 3 2 穿透声计算4 4 4 4 本章小结5 l 第五章汽车模型风洞试验5 2 5 1 风洞试验5 2 5 1 1 实验目的5 2 5 1 2 实验模型5 3 5 1 3 实验风洞5 4 5 2 车身表面脉动压力5 5 5 2 1 车身表面脉动压力测量5 6 5 2 2 测量值与计算值的比较及分析5 6 5 3 车内气流噪声的测量5 7 5 3 1 车内气流噪声的测量5 7 5 3 2 车内气流噪声计算值与实验值的对比分析5 9 5 4 本章小结6 0 第六章工作总结及展望6 1 6 1 工作总结6 l 6 2 展望6 2 致谢6 3 参考文献。6 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 附表( 车身表面监测点脉动压力级计算值) 。6 8 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 噪声是危害环境的三大污染之一，其预防和控制在现代社会的交通工业中显得 尤为重要。汽车向外部环境辐射的车外噪声是城市交通噪声的主要噪声源之一；同 时汽车噪声也是评价乘坐舒适性的指标之一。因此，有效地控制汽车噪声，成为近 年来汽车行业的一个重要课题。 汽车的噪声主要可分为发动机噪声、传动系噪声、排气噪声、路一轮胎噪声以及 气流噪声。发动机噪声、传动系噪声、排气噪声以及路一轮胎噪声等曾在汽车噪声中 占主要地位。但随着汽车技术的发展，上述几种噪声得到有效的控制，并且随着车 速的不断提高，气流噪声已成为当前高速车辆的最主要噪声之一，并且已经对车内 的噪声值产生了显著的影响。1 9 7 2 年，德国学者b u c h h e i m 等人在对1 5 种不同汽车 进行测试时发现，在车速为7 0 m p h ( 英里的计速单位，l m p h = 1 6 0 9 k i n h ) 的情况下， 气流噪声所引起的车内噪声的范围是6 2 。7 8 d b ( a ) ；而达到1 1 0 m p h 时，由气流噪 声所引发的车内噪声值为7 2 8 7 d b ( a ) 。由此可见，在车辆高速行驶时，仅气流噪 声这一项就已经使车内噪声超标【1 1 。而到了1 9 9 2 年，即便是在6 0 m p h 的车速下，气 流噪声就已经明显地影响到了车内噪声，尤其是豪华轿车的车内噪声。这是因为随 着汽车技术的继续发展，其他机械噪声已经得到了更进一步的控制，而气流噪声仍 然是一个亟待解决的问题。因此研究和降低气流噪声成为了控制高速车辆车内噪声 的关键之一。 由于高速车辆气流噪声问题涉及多门学科，且有些难题涉及至今在理论上尚未 得到圆满解决的领域，因此和车辆气流噪声相关的研究成果必将能极大的丰富这些 学科的内涵。综合上述，本课题对车内气流噪声的研究无论从学术还是从现实的角 度来说，都具有重要意义。 1 2 国内外研究历史和现状 汽车的气流噪声问题既属于流体声学的范畴，同时也是流体力学与声学的结合。 1 2 1国外研究概况 在流体力学方面，在1 8 2 7 年和1 8 4 5 年，法国工程师纳维尔( n a v i e r ) 和英国剑 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 桥大学教授斯托克斯( s t o c k e s ) 分别推导出流体运动方程( 即n s 方程) 2 1 ，该方 程包含了流体的一般运动和声波波动的内在关系，描述了牛顿粘性流体运动最为普 遍的规律。 在早期对汽车外流场的研究中，主要注重汽车外形对气动阻力方面的影响。近 几十年来随着高速公路及汽车技术的发展，车速越来越高，人们逐渐注意到高速时 的气流噪声，以便改善驾驶和乘坐的舒适性。1 9 4 5 年英国科学家r a y l e i g hj o h nw ： 发表的( ( t h e o r yo f s o u n d 一书总结了此前二三百年的大量声学研究成果，开创了现 代声学研究的先河。随着声学的不断发展，许多疑难的声学问题得到了解决，但直 到本世纪5 0 年代之前，人们对于诸如树叶为什么随风摇曳时能发出沙沙声、风吹打 着电线为什么能发出悦耳的风鸣声、长笛为什么能产生动听的音乐声等问题仍显得 一筹莫展【3 】，因为那时还尚未弄清紊流、旋涡以及运动物体的发声机制。 直至英国科学家l i g h t h i l l 发表了一篇名为o ns o u n dg e n e r a t e da e r o d y n a m i c a l l y ig e n e r a lt h e o r y ) ) 【4 l 的论文，标志着开始着手研究气动声学理论了，而研究气动声学 的最基本方程即为以l i g h t h i l l 这位科学家命名的方程，即为l i g h t h i l l 方程。 1 9 6 9 年，f f o w c sw i l l i a m s 和h a w k i n g s 应用广义函数法将c u r i e 的结果扩展到考 虑运动固体边界对声音的影响，即物体在流体中运动的发声问题，提出f f o w c s w i l l i a m s - - h a w k i n g s 方程( 简称f w h 方程) 【5 1 。从f w h 方程可以看出，运动 物体与流体相互作用的声场是有四级子声源、偶极子声源及由位于位移所产生的单 级子声源叠加组成的。 1 9 7 2 年，r b u c h h i m ，w d o b r z y n s k i ，h m a n k a n 和d s c h w a b e 利用传统的方法 研究了气动噪声对车内的影响。研究表明：在l o o k m h 的速度下，气流噪声和其它 噪卢一样占主导地位1 1 1 。 1 9 7 4 年格德斯定( g o l d s t i n ) 用格林函数方法研究了均匀运动介质下运动物体的 发声问题，得到更为普遍的广义l i g h t h i l l 方程。 总体来说，上述的研究奠定了物体在高速气流中引发噪声的理论基础，但这些 条件但基本上都是在特定的假设下，以最典型的圆柱体在气流中引发噪声作为理论 研究对象的，但对解决诸如汽车气动噪声这类工程实际问题，还相距甚远。 近几十年来，国外学者也开始关注汽车气流噪声问题的研究。1 9 8 6 年，多波任 斯基( d o b r x y n s k i w ) 在研究汽车车身不同部位的气动噪声源分别对车内总体噪声 的贡献时，指出同其它部位的所引起的噪声相比，前挡风窗和前侧窗对车内总体噪 2 江苏大学硕士学位论文 声的贡献最大。 9 0 年代初，日本m a z d a 的科研人员s h i g e r uh a r u n a 、t a k a h i d en o u z a w a 、i c h i r o k a m i m o t a 等【6 】【7 】【8 1 ，从实验和计算两个方面全面研究了车外脉动压力的分布及其对 车内声场的影响，并用方程预测了车外气流噪声。结果表明，车外噪声的大小与车 速的六次方成正比。1 9 9 3 年他们又根据方程，确定了车辆外部脉动压力向外辐射所 产生的外部噪声评价模式。 1 9 9 0 年，美国学者乔治( a r g e o r g e ) 【9 】发表汽车气动噪声( a u t o m o b i l e a e r o d y n a m i cn o i s e ) 一文，全面地诠释了车辆气流噪声的产生原理，指出气流噪声 的源即为车外空气脉动压力，车外脉动压力的分布对车内和车外的气流噪声有很大 的影响。文章指出：局部气流分离引起的涡流在车身及突出部件周围形成强烈的脉 动压力，此表面脉动压力即是产生气流噪声的源。车外气流噪声通过一定途径传播 到车内便形成车内噪声。车外脉动压力向车内传播气流噪声有两个途径：一是脉动 压力经孔隙或开口向车内传播，即空气声传播，又叫泄漏声；二是脉动压力经板壁 传入车内，即结构声传播，又叫固体声或传透声，指的是车窗、车门、车壁等板壳 结构在脉动压力的作用下产生振动，向车内辐射噪声。对于车外脉动压力、车外脉 动压力向车内传播以及车外噪声，文中也给出了估算方法，但这些方法是基于简单 物理模型的，离实际问题有较大差距。 1 9 9 4 年，国内学者李世岩【1 0 】用边界元法( b e m ) 对车内声场进行了分析计算， 其结果在低频段吻合较好，但在中高频段出现较大误差。 1 9 9 7 年，吴( s e w u ) 将汽车简化成箱体，用统计能量分析法( s e a ) 初步研 究了由侧窗表面脉动压力诱发产生的车内气流噪声。同年，美国福特公司的司徒默 乐( g s s t r u m o l o ) 也用s e a 分析法对汽车内部气流噪声进行了数值模拟。但这两者 都是在忽略泄漏声，假设汽车的密封性完好的前提下进行的研究。 1 9 9 9 年，汉( e h a n ) 1 1 】等利用能量流分析的方法研究了处于湍流边界层以及分 离再附着流场中的薄板，在受到脉动压力激励后的结构振动响应和辐射声能，此方 法对车辆内外气流噪声预估具有良好的指导意义。 随着数值分析和计算机的发展，复杂的偏微分方程组求解得以实现，从而使计 算机流体动力学c f d ( c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s ) 得到了长远的发展，因而数值计算 方法在汽车空气动力学研究方法中的作用和地位不断提高，目前己成为与试验方法 和理论分析具有同等重要的研究方法。数值计算能够解决理论研究方法所无法解决 3 f 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 的复杂流动问题，与实验相比，它不仅能模拟部分实验结果，替代部分实验f ：节， 且省时省【：，同时它还能分析和解释一些实验无法处理的复杂流动问题和现象。它 可以进行纯二维模拟实验，而且也不受实验环境、实验器材干扰、流场品质等客观 因素的影响，试验参数选择性大。但它依赖于理论模型模拟实际流场的精确度以及 通过实验揭示处的空气运动的真实的机理和规律，同时也依赖于相应的初始、边界 条件和各数学模型中相关参数的处理等。目前主要应用的是欧拉方程和纳维斯托克 斯方程，足一个很有发展前景的方法。 从上【面的论述可以看出，尽管在某些情况下，数值模拟的精度和可靠性可能比 不上实验疗法，但数值模拟克服了实验很多的局限性。目f j ，从层流到湍流、定常 到非定常、不可压到可压、无粘到有粘的几乎所有的流动现象，都可以通过数值模 拟在计算机上加以再现，并且随着计算机硬件的持续发展，算法程序的不断完善， 数值模拟的精度将逐步提高。 实验研究、理论分析、数值计算这三种方法各有利弊、相辅相成。实验研究是 理论分析和数值计算的基础，通过实验来检验理论结果的正确性和可靠性，不论理 论分析和数值方法发展得如何完善，其作用都足不可替代的；理论分析能够指导实 验研究和数值计算，使它们更加富有成效，并且可以把部分实验结果推广到一整类 没有做过实验的想象当中去，它在大量的实验基础上，归纳和总结出相应的规律， 同时通过理论自身的发展反过来指导实验，并为数值计算提高理论模型；数值计算 可以弥补实验研究和理论分析的不足。这三者相互作用，共同促进汽车空气动力学 的发展。 1 2 2 国内研究概况 2 0 世纪7 0 年代陆续开始有一些介绍国外汽车空气动力学发展的文章。1 9 8 1 年 中国空气动力学研究与发展中心首次进行了两辆轿车和一辆面包车的实车风洞试 验，随后长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京航空航天大学、西安 公路交通大学、同济大学通过对航空风洞、建筑风洞的改造，先后也开始了轿车、 大客车和货车的汽车空气动力学的研究工作。一些厂家如北京汽车厂、成都客车厂 和一些院所如北京7 0 1 所也都不同程度的对汽车模型风洞试验进行了探讨。 从1 9 9 2 年开始，江苏大学开始对汽车气流噪声问题进行了研究【1 2 瑙】，研究的内 容主要是车外脉动压力场，脉动压力对车外声场的影响，以及汽车表面脉动压力向 4 江苏大学硕士学位论文 车内传播的规律，并对其产生的车内噪声进行了简单的预估。其主要研究成果有： ( 1 ) 通过汽车模型风洞试验，分析研究了高速车辆表面流态、a 立柱附近的流 场状况、侧板表面脉动压力、侧窗表面脉动压力对车内声场的影响、以及不同位置 小孔泄漏对车内噪声的影响； ( 2 ) 从理论上推导出汽车气流噪声的积分公式； ( 3 ) 用数值模拟的方法计算汽车外部流场的速度分布，表面静压力分布及汽车 表面脉动压力： ( 4 ) 分别采用边界元法和统计能量法以及将两者相结合对车内噪声进行预估分 析。 近年来，吉林大学和湖南大学也开始对汽车气流噪声进行相关研究【弘划，主要 研究车外脉动压力场，分析得出a 立柱附近、侧窗表面和后视镜是产生汽车外部气 流噪声的主要来源；并研究t n 风情况下汽车的气动特性，应用动网格技术解决了 流场计算中的动边界问题，通过动态数值模拟真实地再现了汽车行驶时与侧风的相 互运动关系；首次研究了相对车速和绝对车速对超车过程气动特性的影响，并总结 出规律，为交通控制在超车过程中进行适当的操作并选择合理的超车速度提供了建 议。 尽管我国在汽车空气动力学实验和理论研究方面起步较晚，但汽车空气动力学 的计算机仿真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水平提供了新的契机。在对 气流噪声的认识、表面脉动压力的测量和预估、车内外流场气流噪声的预估和试验 方法的研究等方面还有许多工作要做。 1 3 本文主要研究内容 本文以简化的汽车模型为研究对象，建立有限元模型、车身声学模型，研究其 动态特性，并在此基础上进行声学分析。本文主要研究以下几个方面： ( 1 ) 车辆高速行驶时，车身与周围相对高速流动的气流相互作用，在车辆周围 及内部产生气流噪声的内在机理； ( 2 ) 对车辆外流场、外表层附近湍流和车身表面脉动压力场进行理论分析与数 值计算； ( 3 ) 在上述基础上，将脉动压力作为声学分析的边界条件，最终得到车内驾驶 员耳旁噪声。 5 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 1 4 本章小结 本文主要阐述了气流噪声的研究背景及意义，说明了研究气流噪声的重要性。 叙述了目前国内外研究概况，主要是从流体力学及空气动力学两个方面进行阐述， 并对前人的研究成果进行了总结。在此基础上，提出了本文的主要研究内容：阐述 气动噪声的相关理论和研究方法，并尝试对高速轿车内、外部流场及气动噪声进行 数值计算和分析。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章车内气流噪声研究的理论基础 2 1气动声学波动方程相关理论 2 1 1 流体动力学基本方程 在流体力学中，流体可视为连续介质，它在流动时将连续地充满整个空i 司。对于 牛顿粘性流体，其质量、动量和能量守恒控制方程分别为： 争v 妇) = o ( 2 1 ) 掣= 一跏扎f ( 2 2 ) p 面d e = - v x + 眠+ e k + q ，+ 矽+ 害 ( 2 - 3 ) 其中，式( 2 1 ) 又称为连续性方程，式( 2 2 ) 简称为动量方程，式( 2 3 ) 简称为能 量方程。 上三式中，各符号的意义如下： p 一流体密度； t 一时间； z ，一流体速度矢量； v h a m i l t o n 算子 v ：f 昙+ j f + 七； ( 2 4 ) o o 2d 3 x z ，x 2 ，x 3 分别为笛卡尔坐标系的三个坐标变量； i ，k 分别为，x 2 ，黾方向的单位矢量； 厂作用在流体上的体积力； p 压力： f 一流体的应力张量，定义为： 巧啦v 甜l i o u i + 刳 晓5 ， 五流体第二粘度： 7 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 流体动力粘度； 磊一单位张量( 也称克朗内克万函数) ，吒= 三 e 一流体的内能； 对于理想气体有：e = e 0 ，t ) d e = c p d t c 。一定压比热； 丁一温度； q 一热通两向量 q = 一k v 丁： k 一导热系数： 矾一粘性力做功项 w = 刖，( 丢善+ 毒警 综 和p 的 对 式中， 设 8 i = - z 竺q 耻 撇 为 啪 划 唑 赳 扩匕匕压 胁 垃 稍 啦- h r 鼋 骷 江苏大学硕士学位论文 流体则可以证明l j l 】： p 。一；= ( 力+ 詈 v “= ，v 比 ( 2 6 ， 式( 2 6 ) 中，t ，为容积粘度，t ，= 元+ 要。 对于单原子气体，以= 0 。对于双原子气体或多原子流体，线一般不为零，但也 都是很小的值，如果采用斯托克斯假设从- - 0 ，则会有 力一詈 将上式代入动量方程，可得 尸警= 厩一毒( p + j 2 胛“) + 毒k 考+ 等 ( 2 式( 2 7 ) 即为牛顿流体的运动方程，也即著名的纳维一斯托克斯方程，简称n - - s 方程，是当今研究流体力学的最基本方程之一。 2 1 2 运动流体发声的波动方程 l i g h t h i l l 于1 9 5 2 年根据n s 方程和连续性方程导出了流体发声的波动方程。由 式( 2 1 ) 可知， 望+ 盟：0 ( 2 8 ) 0 t o x ： 。7 略去体积力后，由方程( 2 7 ) 可得 亟+等一考o舻(ou_,瓦oujot上3 磊等 包9 ， 舐，锄，氖；i 舐，反，q 叙。j 令 勺= 砜0 ( i o u , + 等7 2 80 训u t ) 眩 为牯性应力张量。 则式( 2 9 ) 可简化为 o j p _ u i + o _ = p = u _ f u s ：一0 1 , + o 刍e o ( 2 1 1 ) 8 t 缸o x a x 将式( 2 8 ) 对t 微分，可得 9 j 高速轿车外流场对车内噪声的影响分析及预估 取式( 2 1 ( ) ) 的散度得 一a 2 p + 塑型：o西2苏：a t 式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) 相减，可得 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 事= 拳+ 去b 以一勺) 上式两边同时减去v 2 p ， 鲁却讧辜+ 去一白) 却2 p = 去h 叫磊( p 嘞m 1 5 ) “ 令 毛= 去h 一白+ 磊。曲) 】 ( 2 1 6 ) 则式( 2 1 5 ) 可简写为 窘却2 户= 暴 忉 注意到孕与罢拿均应为零，便可得到密度波动方程 o t c j 蹴； 等2 v 2 胪杀 ， 式中： 乃= ，“厂勺- i - ，w ) 一。2 力f ) ( 2 1 9 ) 为l i g h t h i l l 张量； 白一粘性应力张量； 名一单位张量； p o 未受扰动的流体密度或流体密度的均值； p 流体密度的波动量，p = p - p o ； 只一未受扰动时流场压力或流场中压力的均值； 1 0 堕呐生解鬻 垫雄 江苏大学硕士学位论文 尸一流场中压力的脉动量，p = p 一晶； c o 一声速。 方程( 2 1 8 ) 即为l i g h t h i l l 于1 9 5 5 年提出的运动流体发声的声波方程。是研究 流体发声的最基本方程之一。 2 2 流场中的声源 气体流动或物体和气体相互作用引起气体的扰动而辐射产