（载运工具运用工程专业论文）高速车辆驾驶室内气流噪声预估分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 车辆的内部噪声一直是影响乘坐舒适性的关键问题，而高速车辆 引发的气流噪声是影响车内噪声的主要噪声源之一。随着对车辆其它 噪声源的有效控制和行驶速度的不断提高，高速车辆的气流噪声越来 越突出，已经成为主要噪声源之一。车内气流噪声严重影响了车辆乘 坐的舒适性，因此必须进行研究和控制。 本文介绍了国内外气流噪声相关的研究状况及其取得的成果。在 此基础上提出了研究的主要内容，阐述了气流噪声的相关理论和研究 方法，并尝试对高速汽车车内噪声进行数值计算和分析。 汽车高速运动时，车外气流作用在车身表面的脉动压力是引起车 内气流噪声的源，因此研究汽车周围流场及表面脉动压力是研究汽车 气流噪声的基础。本文应用软件f l u e n t 的大涡模拟方法，对汽车模型 周围流场及表面脉动压力进行了数值模拟与分析，得到了汽车周围流 场的特点和脉动压力的分布情况，经数据输出获得车辆表面脉动压力 的数值解，通过快速傅立叶变换( f f t ) 转换到频域进行频谱分析。 在脉动压力频谱分析的基础上，将各个频率的脉动压力级叠加起来得 到总的脉动压力级。结果表明，大涡模拟脉动压力分布趋势与试验结 果较为吻合，计算结果基本满足工程需要，但计算精度有待于进一步 提高。 在得到车外表面脉动压力之后，列车内气流噪声进行了分析。针 对车内噪声的特点，选用间接边界元与结构有限元耦合求解的方法。 计算在声一振分析软件s y s n o i s e 中进行。为了验证车内气流噪声 t 江苏大学硕士学位论文 的准确程度，进行了汽车模型风洞试验，得到了车内噪声声压。将车 内噪声的计算值与试验结果对比发现两者存在一定误差。造成误差的 原因主要有两方面：一方面是试验过程中其它噪声源的干扰，使测量 值偏大；另一方面是计算时只考虑了左侧窗的压力，使计算值偏小。 对侧窗不同单元进行了声学贡献量分析，得出不同频率下不同区域对 场点声压的贡献。 由于车内气流噪声问题本身十分复杂，研究时间还很短，一些问 题所涉及的基础学科及相关学科还处在研究和发展过程中，目前的研 究工作还不足以达到实用的程度，还有很多问题尚待进一步研究。本 文在研究程度上还仅仅是车内气流噪声预估的初步。 关键词：车辆，气流噪声，脉动压力，边界元法，声贡献量分析 i i 江苏大学硕士学位论文 t h ei n t e r i o rn o i s eo ft h ev e h i c l eh a sb e e nt h ek e yt oi m p r o v er i d i n g q u a l i t i e s ，a n dt h ea e r o d y n a m i cn o i s ed e r i v e df r o mt h eh i g h s p e e dv e h i c l e h a sb e e nb e c o m i n go n eo ft h em a i ns o u r c e so fi n t e r i o rn o i s eo fv e h i c l e w i t ht h ee f f e c t i v ec o n t r o lo ft h eo t h e rn o i s es o u r c ea n dt h ei n c r e a s eo ft h e v e l o c i t y , t h ea e r o d y n a m i cn o i s ea r o u n dg r o u n dv e h i c l e sa th i g hs p e e d s h a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta n di n m o r ea n dm o r ec a s e s d o m i n a t e st h ev e h i c l e n o i s e o w i n gt o i t ss e r i o u si n f l u e n c eo nt h e c o m f o r to fc a r , w es h o u l dt a k ei m m e d i a t em e a s u r e st or e s e a r c ha n d c o n t r o l i t t h es t u d ya c t u a l i t ya n dc o n c l u s i o n 二nh o m ea n da b o a r di sd i s c u s s e d t h em o s t l yc o n t e n ti sp u tf o r w a r dn a m e l y ：r e c o m m e n dt h et h e o r i e sa n d s t u d ym e t h o d so ft h ea e r o d y n a m i cn o i s e ，m a k eat r yt oh a v eas i m u l a t i o n o fa e r o d y n a m i cn o i s ef o rt h ev e h i c l ei n t e r i o rn o i s ew i t hh i g hs p e e d w i t hh i g hs p e e d i n gi ti st h ea i r f l o w - g e n e r a t e df l u c t u a t i n gp r e s s u r e o nt h eo u t s i d es u r f a c eo ft h eb o d yt h a tc a u s e sa e r o d y n a m i cn o i s e ，t h u st h e s t u d yo ne x t e r n a lf l o wf i e l da n df l u c t u a t i o np r e s s u r ei st h ef o u n d a t i o no f v e h i c l ea e r o d y n a m i cn o i s e r e s e a r c hw o r k s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d a n a l y s i so fe x t e r n a lf l o wf i e l da n df l u c t u a t i n gp r e s s u r eo no u t s i d es u r f a c e a r o u n dm o d e lw a sc o n d u c t e du s i n gl a r g ee d d ys i m u l a t i o no fs o f tw a r e f l u e n t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec a ro u t e rf l o wf i e l da n dt h ed i s t r i b u t i o n o ft h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r ew e r er e s e a r c h e d t h en u m e r i c a lv a l u eo ft h e i i i 江苏大学硕士学位论文 f l u c t u a t i n gp r e s s u r ei se x p o r t e da n di sc a l c u l a t e db yf l 强a n dt h e nt h e a e r o d y n a m i cn o i s ei sa n a l y z e db yt h es p e c t r a la n a l y s i sm e t h o ds u c ha s f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s s ot h a tt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e f l u c t u a t i n gp r e s s u r ea n dt h ea e r o d y n a m i c sn o i s ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h ea e r o d y n a m i c sn o i s ew a sd i s c u s s e d b a s e do nt h ef r e q u e n c ys p e c t r a ， w ec a na l s og e tt h et o t a lf l u c t u a t i o np r e s s u r el e v e l t h er e s u l ts h o w st h a t t h ed i s t r i b u t i o no ff l u c t u a t i n gp r e s s u r eb yl a r g ee d d ys i m u l a t i o nc o i n c i d e s w i t ht h et e s tr e s u l t s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec a l c u l a t i o n sa r ea v a i l a b l e f o rp r o j e c tb u tt h ep r e c i s i o no fs i m u l a t i o nn e e db ei m p r o v e d w i t hn u m e r i c a ls o l u t i o no fs u r f a c ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e sc a l c u l a t e d ， t h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s eo ft h ev e h i c l ewi sr e s e a r c h e d b a s e do n s o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r i o r n o i s e ，i n d i r e c tb e m ( b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d ) a n ds t r u c t u r ef e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) c o u p l e d w a ss e l e c t e du s i n gt h ev i b r o - a c o u s t i cs o f t w a r es y s n o i s e f r o mt h e r e s u l t so fe l e m e n t sa tt h el e f tw i n d o wa c o u s t i cc o n t r i b u t i o n ，t h em a i n c o n t r i o u t i o nc o e f f i c i e n tv e h i c l e b o d yp a n e l i ns o m ef r e q u e n c yw a s d i s p l a y e d i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cn o i s et h e v e h i c lem o d e lw i n dt u n n e lt e s tw a sp e r f o r m e d t h ei n t e r i o rw i n dn o i s e s o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l ) w a so b m i n e d c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so ft h ei n t e r i o rn o i s e ，i tc a nb e f o u n dt h a tt h e r ei sc e r t a i ne r r o rb e t w e e nt h e m 7 f w om a i nr e a s o n sc a u s e i v 江苏大学硕士学位论文 t h i s ：o n ei st h ec o n t r i b u t i o n so fo t h e rn o i s es o u r c e st oi n t e r i o rs o u n df i e l d ， w h i c hm a k et h em e a s u r e m e n t so v e r p r e d i c t e d ；o t h e ri st h a tc a l c u l a t i n gi s o n l yc o n s i d e r i n g t h el e f t w i n d o w , w h i c h l e a d st ot h er e s u l t s u n d e r p r e d i c t e d s i n c et h ec o m p l e x i t yo ft h ec a ra n dt h ep o o rt i m e ，al o to fp r o b l e m s r e f e r r e dt ob a s i cs u b j e c t sa r ei nt h ec o n d i t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p t h i ss t u d yh a sn o tb e e na p p l i e dt op r a c t i c e ；m a n yp r o b l e m sh a v et ob e s t u d yf u r t h e lt h i sp a p e rj u s tap r i m a r yr e s e a r c ho nt h ep r e d i c t i o na b o u t a e r o d y n a m i cn o i s e k e yw o r d s ：v e h i c l e ，a e r o d y n a m i cn o i s e ，f l u c t u a t i n gp r e s s u r e ， b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d ( b e m ) ， a c o u s t i c c o n t r i b u t i o na n a l y s i s v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文作者虢马惑哗 指导狮签名：降株 沙f 口年彦月，日2 。( o 年6 月f f 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：善恕年 日期：矽加年多月 ii e l 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 噪声是工业文明危害环境的三大污染之一，由于城市交通和高等级公路的发 展，环境污染源之一的城市交通噪声成为噪声的主要来源。噪声的预防与噪声控 制在现代社会的交通工业中显得非常的重要。城市交通噪声的主要噪声源之一是 汽车向外部环境辐射的车外噪声。汽车噪声不仅是公路交通噪声的主要来源，也 影响着乘员的乘坐舒适性，所以有效的控制汽车噪声，成为近年来汽车行业的一 个重要研究课题。 随着汽车工业的不断发展和汽车技术的日益进步，人们对汽车乘坐舒适性的 要求逐渐提高。噪声、振动和粗糙度( n o i s e 、v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) ，统称为车 辆的n v h 问题【1 1 ，已经成为汽车舒适性的重要评价指标。在现代汽车设计研究 工程中，汽车声学舒适性是一个重要的设计指标。国内外已有不少学者和科技人 员致力于汽车噪声的研究，汽车行业中各大制造企业和零部件企业关注也投入了 大量人力物力进行科研攻关。 在汽车噪声中，车内噪声的研究受到广泛关注。行驶中的汽车，车内噪声来 源主要有发动机和传动系噪声、吸气和排气噪声、底盘噪声、轮胎噪声及车辆气 流噪声，如图1 1 所示【2 1 。汽车噪声控制的发展是汽车技术发展的一个缩影。汽 车工业发展初期，由于汽车车速不高，对汽车噪声的研究主要是发动机噪声、传 动系噪声和进排气噪声。随着汽车技术的发展，发动机噪声、底盘噪声、传动系 噪声和轮胎噪声相继得到了有效的控制，而此时汽车车速得到了提高，轮胎噪声 成为主要研究对象。当轮胎噪声得到有效控制以及车速进一步提高，汽车在高速 行驶的时候气流噪声已经成为相当汽车的主要噪声源之一。据研究表明1 3 4 1 5 】1 6 j ， 气流噪声随车速的六次方增长，所以对于高速行驶的汽车气流噪声问题显得尤为 突出。因此研究和降低气流噪声成为控制高速汽车噪声的重要问题。 江苏大学硕士学位论文 图1 1 车内噪声来源【2 】 f i 9 1 1v e h i c l ei n t e r i o rn o i s e 2 1 汽车高速行驶时与周围的空气相互作用，在汽车表面附近形成湍流边界层， 从而在汽车表面产生脉动压力场。当局部气流在汽车表面分离时，脉动压力场诱 发产生气流噪声。车外脉动压力向车内传播气流噪声有两个基本途径：一种是空 气传播，即泄漏声，由车外脉动压力通过车窗、各车外部件之间的缝隙、以及车 门门缝等传播到车内；另一种是结构声传播，即固体声，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。汽车车体不同部 位的对车内噪声各有贡献同，图1 2 显示了车身各部位对车内气流噪声的影响。 从图中可以看出汽车各壁板传声是脉动压力向车内传播气流噪声的主要途径之 一。本文讲的驾驶室内气流噪声，实际上是车辆在高速行驶时产生的气流噪声向 车内传递，即在脉动压力场作用下产生的车外气流噪声向车内传递的能量，本文 简称车内气流噪声。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 2 车身各部位对车内气流噪声的贡献【7 】 f i 9 1 2c o n t r i b u t i o no ft h ei n t e r i o rn o i s eo ft h ev e h i c l ew i t hp a r t s f t i 车辆噪声可分为车辆向外辐射噪声和车辆内部乘员室噪声【2 】【8 】。基于汽车舒 适性的角度，车辆内部噪声得到了更多的关注。在车内噪声研究中，车内气流噪 声的控制是一个函待解决的问题。正因为如此，气流噪声成为研究的热点问题。 因此，本课题对车内气流噪声的研究具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究历史和现状 汽车气流噪声属于流体声学的一部分，可以看作是流体力学与声学的结合。 在流体力学方面，法国工程师纳维尔( n a v i e r ) 和英国剑桥大学教授斯托克 斯( s t o c k e s ) 分别于1 8 2 7 年和1 8 4 5 年推导出流体运动方程( 即n s 方程) 【9 】， 该方程描述了牛顿粘性流体运动的最为普遍的规律，包含了流体的一般运动与声 波波动的内在关系。1 9 5 2 年，英国学者l i g h t h i l l 根据n s 方程导出了描述气流 运动发声的l i g h t h f l l 方程【1 0 1 ，建立了声波波动量与流场参数之间的直接联系，成 为研究气流声学最基本的方程，标志着气流声学的诞生。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 d 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 sw i l l i a m s - - h a w k i n g s 方程 ( 简称f w h 方程) 1 1 】。 从上世纪9 0 年代开始国外学者对车内气流噪声进行了广泛的研究，9 0 年代 初日本m a z d a 的科研人员s h i g c r uh a r u n a 、 a k a h i d en o u z a w a 、i c h i r ok a m i m o t a 等【1 2 1 3 - 4 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 3 江苏大学硕士学位论文 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 的外部噪声评价模式。研究还发现，侧窗表面的脉动压力不仅来自于a 柱后涡 流的分离和再附着，而且来自于涡流与车顶侧窗的接头部位相互作用【1 5 】1 1 6 1 。 1 9 9 0 年，美国学者a l b e r t r g e o r g e 发表( a u t o m o b i l ea e r o d y n a m i cn o i s e ) 一文【4 】，研究了车辆气流噪声产生的机理，指出车外空气脉动压力诱发产生气流 噪声，分析了车外脉动压力的分布以及车外脉动压力的分布对车内和车外的气流 噪声的影响。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 7 1 。 1 9 9 7 年，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【1 8 1 。同年，美国福特公司的 g s s t r u m o l o 也用统计能量分析法对汽车内部气流噪声进行了数值模拟【1 9 】。 1 9 9 9 年，e h a n 2 0 】等利用能量流分析法研究了处于湍流边界层以及分离再附 着流场中的薄板，受脉动压力激励后的结构振动响应和辐射声能，该方法对车辆 内外气流噪声预估具有指导意义。 从8 0 年代初开始，随着计算机和计算流体力学( c f d ) 的发展，源于航空 航天领域的c f d 方法逐步被移植到汽车工程领域，并飞速地发展起来，对试验 和理论研究起到了积极地促进作用，为研究流动模型提供了更多的依据，尤其在 汽车空气动力学领域的汽车工业中发挥了重要的作用。数值模拟在流体力学中被 称为计算流体力学，它逐步发展成为一门独立的学科，成为人们进行研究的有力 工具。在汽车工业中它具有以下优势： 4 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算机模拟不受风洞那样的限制( 如洞壁干扰和风洞实验段的阻塞效 应等) ，以及实验雷诺数、气流角度、流体性质等的限制； ( 2 ) 而且易于作实验段地面边界层的调整； ( 3 ) 可进行纯二维的分析，而这在风洞中是无法实现的； ( 4 ) 汽车和地面的相对运动，车轮旋转等的模拟在计算机上也比在风洞中 容易实现。 ( 5 ) 数值模拟方法可在新车设计初期的造型阶段进行空气动力性能及其它 有关性能的预测，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。 ( 6 ) 数值模拟可以同时得到流场全场的多项参数，减少了实验的准备周期 和仪器费用，从而极大地降低了研发成本。 目前，c f d 方法已经与理论研究方法( t h e o r e t i c a lf l u i dd y n a m i c s ) 和试验 研究方法( e x p e r i m e n t a lf l u i dd y n a m i c s ) 一并成为流体力学领域的三大研究方 法。但是汽车流场数值模拟研究中尚须解决复杂几何形状问题、计算的收敛速度 问题和n a v i e r - s t o k e s 方程求解和湍流模型问题。对于汽车这种外形极其复杂的 边界，寻求切实可行的湍流模型和收敛速度较快的计算方法是目前面临的最主要 问题。 应用比较广泛的c f d 软件有f l u e n t ，s t a r c d ，p o w e r f l o w 等，在气 流噪声的研究方面，f l u e n t 采用了传统的l i g h t h i l l 声学模型进行模拟，s t a r - c d 软件将c f d 技术和c a ( s y s n o i s e ) 技术结合在一起耦合计算，使用l e s d e s 湍流模型解算基于时间步长的空间表面压力脉动分布和速度脉动参数分布，并由 此获得系统的噪声源分布和噪声传播途径。这种结果对于工程技术人员能直观方 便的确定声源分布和声源强弱的大小，进而可以做理性的结构变更和优化设计。 p o w e r f l o w 则采用了一种比较新的称谓格子气的方法对气流噪声进行模拟与试 验数据能够相当好的吻合【2 1 1 。在气流噪声的c f d 模拟中，常常结合谱分析技术 来进行分析、验证低频和高频压力脉动下的流场空间结构。 数值模拟的精度和可靠性在某些情况下虽然比不上实验方法，但从上面的论 述可以得出结论，前者克服了后者的很多局限性。目前，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 5 江苏大学硕士学位论文 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。 国内在汽车气流噪声的研究方面起步较晚，还不够系统和深入。从1 9 9 2 年 开始，江苏大学率先对汽车气流噪声问题进行了研究【2 2 瑚】，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车内传 播的规律。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，吉林大学也开始对汽车气流噪声进行相关研究 3 2 1 3 3 】p 4 】，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。 尽管在科研人员的努力下，汽车气流噪声的研究己经取得了重要的成果，但 是由于问题本身的复杂性以及研究时间相对较短，在这方面的研究还尚处于起步 阶段，大部分研究还是在试验的基础上以定性分析为主，研究范围以车内噪声和 车外流场分析的数值模拟计算为主。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 本文旨在研究车辆高速行驶时，与周围相对高速流动的气流相互作用，而在 车辆周围及内部产生气流噪声的内在机理，对车辆外流场、外表层附近湍流和外 表面脉动压力场进行理论分析与计算，在此基础上，进行振动响应计算，作为声 学分析的边界条件，最终得到车内驾驶员耳旁噪声。 、 6 江苏大学硕士学位论文 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 其动念特性，并在此基础上进行声学分析。研究的主要内容和方法主要包括以下 几个方面： ( 1 ) 阅读、分析、参考有关资料，掌握气流声学的基本理论，分析研究气流噪 声的方法，为气流噪声分析奠定理论基础。 ( 2 ) 采用车辆缩尺模型在低速回流式风洞中测量车内气流噪声，以便对车内气 流噪声有一个直观的了解。 ( 3 ) 建立用于数值模拟的计算模型，并进行网格划分。 ( 4 ) 应用f l u e n t 对高速汽车外部流场进行表面脉动压力的数值模拟，并进行数 据分忻。 ( 5 ) 建立边界元声学模型，通过专业的声学分析软件s y s n o i s e 对模型进行仿真 分析。 1 4 本章小结 本章讲述了高速汽车气流噪声研究的重要意义，介绍了国内外的研究状况和 取得韵重要研究成果。在总结和分析前人研究成果基础上提出本文的研究内容： 阐述流场声学的相关理论和研究方法，对高速汽车外流场进行数值计算和分析进 而研究其产生的气流噪声。 7 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流场中的声源 根据l i g h t h i l l 流体声学理论可以得出结论，流体发声由三种典型声源组成， 分别为：单极子声源、偶极子声源和四极子声源( 图2 1 ) 。 矗曩毒焉翦蠢耘声爱 簟曩子 秽孽桊 捆 体积电膏 放射 燕刳瓯渤 品 搭 儡簸手 曩t 屯青中心 - - 盟 藁 = 萄c 圈板子 矗 涎 赣禽 蔫援畦翻援 图2 1 三种典型声源 f i 9 2 1t h r e et y p e so fa c o u s t i cs o u r c e s ( 1 ) 单极子声源 单极子声源也叫做简单声源，它可以看作振动质量流量的点源，是由纯放射 状的运动压缩周围流体而发声的声源。现实中可以可到很多单极子声源，例如发 动机排气管的噪声声波的波长远远大于排气管的直径，可以认为是单极子声源。 单极子产生的声波波平面是同相位的，声功率均匀的向各个方向辐射，指向性为 一圆球。它的辐射声功率既为【3 5 】： 风d z 芝：风d 2 v 3 m ( 2 1 ) 式中：为声功率的有效值；c 为声速；y 为气流速度；d 为流动区域在 流动方向上的截面积；m 为气流的马赫数! ( 无量纲) ；岛为空气的密度。 从中我们可以看出，单极子声源辐射的声功率与流场平均速度的4 次方成正 8 江苏大学硕士学位论文 比例，所以当速度增加2 倍时，声功率增加1 2 d b ：当流场的截面积增加2 倍时， 声压级增加6 d b 。也就是说随着流速的增大，气流噪声的声功率将急剧升高。 ( 2 ) 偶极子声源 偶极子声源是一种力声源，由于障碍物存在于流体中，与流体产生不稳定的 反作用力而形成的。偶极子声源可以看作是由两个很接近且相位差为1 8 0 。的单 极子声源构成的。这两个单极子声源沿轴成放射状运动，具有声场的最大指向性， 在轴的中心处辐射声功率为0 。偶极子的辐射声功率既为【3 5 1 ： i ，o 芘p o d 2 = p o d 2 v 3 m 3 ( 2 2 ) 从中我们可以看出，偶极子声源辐射的声功率与流场平均速度的6 次方成正 比例，所以当速度增加2 倍时，声功率增加1 8 d b ；当流场的截面积增加2 倍时， 声压级增加6 d b 。 ( 3 ) 四极子声源 媒质中如果没有质量或热量的注入，也没有障砖物的存在，唯有粘滞应力可 能辐射声波，这就是四极子声源。四极子声源是一种应力声源，可以看作是由两 个相位相反的偶极子声源组成的。四极子的辐射声功率睨为【3 5 】： t ，5 芘p 0 0 2 = p o d 2 v 3 m 5 ( 2 3 ) 从中我们可以看出，偶极子声源辐射的声功率与流场平均速度的8 次方成正 比例，所以当速度增加2 倍时，声功率增加2 4 d b ；当流场的截面积增加2 倍时， 声压级增加8 d b 。 随着流速的增大，气流噪声的声功率将急剧升高。对于汽车的气流噪声这一 问题而言，可以忽略单极子及四极子声源。这是因为：单极子声源的强度与汽车 刚性表面的水平方向速度有关，可以忽略；四极子声源的强度与偶极子的强度之 比正比于马赫数的平方【2 6 】【3 6 】： l n， 芘m 。2 j d ( 2 4 ) 上式表明，在低马赫数的情况下，四极子噪声远小于偶极子噪声，四极子声 源是可以忽略的。由此，汽车气流噪声主要是偶极子声源。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 流体动力学基本方程阳 流体诱发声的波动方程是研究气流噪声的基础。声场是流场的一种特殊形 态。包含n s 方程在内的流体动力学方程描述了牛顿粘性流体的普遍规律，既描 述了流体的稳定流动，也描述了流体的不稳定流动：既描述了流体的一般流动， 也描述了流体的波动。 在流体力学中，流体可以看作连续介质。流体在流动时将连续地充满整个 空间。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： 鲁+ v ( ) = 0 ( 2 5 ) 掣：p 厂一勋+ v 丁 ( 2 6 ) 优 p 害= 一v q + 取+ 邑+ q + 。+ 害 ( 2 7 ) 式( 2 5 ) 简称为连续性方程，式( 2 6 ) 简称为动量方程，式( 2 7 ) 简称为 能量方程。 式中各符号的定义为： p 一流体密度； ，一时间； 甜流体速度矢量，在毛方向上的分量为吩： v h a m i l t o n 算子， v = 旦+ f 旦+ 七旦 ， ， o x 2 五，x 2 ，毛分别为笛卡尔坐标系的三个坐标变量， f ，j ，七分别为x a ，屯，毛方向的单位矢量； 厂作用在流体上的体积力： p 压力； f 流体的应力张量，定义为： 1 0 江苏大学硕士学位论文 啦v 叶睁封 兄流体的第二粘度； 流体动力粘度； 磊- 单位张量( 也称克朗内克万函数) ，磊= 墨l f 三二； e 流体的内能， e = p ( p ，t ) ， 对于理想气体有： d e = c p d t ； c p - 定压比热； 丁一温度； q 热通量向量 q = 羽丁： k 导热系数； 一粘性力做功项， = 肛，( 毒考+ 南善 ； 毛- 热能，定义为： 粘性应力产生的热，即耗能功 呻睁- 锄觑j 厩1 a u i ； q 由于辐射或化学能释放等因素产生的系统内单位流体热量的增量； 综合各基本方程，如果将向量看作为一个变量，可以发现有甜、p 、r 和p 四个未知变量，还需要补充一个联系p 和p 的状态方程， p = p ( p ，t ) 江苏大学硕士学位论文 对于理想气体有： p = 啦0 ( 2 8 ) 兵中，为气体常数。 假设流体静止时流场中一点的压力是p o ，流体流动时的平均压力为一p ，对 于一般流体可以证明： 一一p = ( 五+ 詈) v “= 以v h c 2 9 ， 式中，以为容积粘度，以= 五+ 詈； 对于单原子气体，以= 0 ；对于双原子或多原子流体以一般不为零，但是 其值一般都很小，如果采用斯托克斯假设肌兰0 ，则 扭争 ( 2 1 0 ) 将萁代入动量方稃( 26 ) 得到： p 警= 成一毒( p + 詈印“ + 毒k 考+ 等 此式为牛顿流体的运动方程，著名的纳维一斯托克斯方程， 程，是当今研究流体力学的最基本方程之一。 2 3 湍流与大涡数值模拟 ( 2 1 】) 简称n s 方 2 3 1 湍流 高速车辆外部流场非常复杂，汽车绕流问题一般假设为为定常、等温、不 可压缩三维湍流流场。g i t a y l o r 和v o nk a r m a n 认为“湍流是在流体流过固体表 面或者相同流体的分层流动中出现的一种不规则的流动【3 8 1 。j o h i n z e 认为湍 流的确切的定义是“湍流是流体运动的一种不规则的情形1 3 9 。 湍流是一种复杂的非稳态流动，在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、 压力、温度等都随时间与空问发生随机的变化。由于湍流的复杂性，目前还无法 对其给出一个严格的定义。当r e y n o l d s 数小于某一临界值时，流动是平滑的， 相邻的流体层彼此有序地流动，这种流动称作层流( 1 a m i n a rf l o w ) 。当r e y n o l d s 1 2 江苏大学硕士学位论文 数大于临界值时，会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流 动呈无序的混乱状态。这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速 度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流( t u r b u l e n tf l o w ) 。 湍流带有旋转流动结构，这就是所谓的湍流涡( t u r b u l e n te d d i e s ) ，简称 ( e d d y ) 。从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而成的 流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动的边 界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，它土要受惯性影响而存在，是 引起低频脉动的原因：小尺度的涡主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场 尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺度 的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。在充分发展的湍流区域内，流体 涡的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡不断地从主流获得能量，通 过涡间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。最后由于流体粘性的作用，小 尺度的涡不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时由于边界的 作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。流 体内不同尺度的涡的随机运动造成了湍流的一个重罗特点物理量的脉动。 2 3 2 湍流基本方程 湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流运动的特征是在运动过程中液体 质点具有不断的互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随 机性质的脉动值。 湍流脉动的不规则性、多尺度性和复杂的非线性输送是湍流运动的主要性 质。湍流运动的不规则性和多尺度性质导致湍流脉动问复杂的非线性输送性质。 必须强调指出，湍流是流体微团的不规则运动，湍流脉动的最小时间尺度和最小 空间尺度都远远大于分子热运动的相应尺度。 因此对于每一个样本流动，即实验流动，都服从流动的宏观守恒方程，对 于不可压缩牛顿流体来说，湍流的控制方程式纳斯一斯托克斯( n a v i e r s t o k e s ) 方程，简称n s 方程： d i v u = 0( 2 1 2 ) 瓦o u “vu 1 1 ) = 一丢罢+ v d i v ( 倒甜) ( 2 1 3 a ) 江苏大学硕士学位论文 研，v + d i v ( v u ) = 一万lt 砂3 p i - v d i v ( 鲥v ) ( 2 1 3 b ) 詈+ d i vw u ) = 一吉考1 i - v d i v ( g r a d w ) ( 2 1 3 c ) 1 3 式( 2 1 3 ) 是三维瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程，无论对层流还是湍流都是适用 的。但对于湍流，如果直接求解三维瞬态的控制方程，需要采用对计算机内存和 速度要求很高的直接模拟方法，但目前还不可能在实际工程中采用此方法。工程 中广为采用的方法是对瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程做时间平均处理，同时补充反映 湍流特性的其他方程，如湍动能方程和湍流耗散率方程等。 所谓的时间平均法就是把湍流流动看作由两个流动叠加而成，一是时间平 均流动，二是瞬时脉动流动。这样，可以将脉动分离出来，便于处理和进一步的 探讨。r e y n o l d s 平均法【柏】是对瞬时状态下的连续方程( 2 1 2 ) 和动量方程( 2 1 3 ) 进行时间平均，从而得到湍流时均流动控制方程。方程( 2 1 4 ) 是时均形式的连 续方程，方程( 2 1 5 ) 是时均形式的n a v i e r s t o k e s 方程。( 除脉动值的时均值外， 式中去除了表示时均值的上划线符号“一 ，如用矽表示) 等+ d i v ( 肿) = o 西 v7 ( 2 1 4 ) a ( 研p u ) + d i v ( p u u ) = d i v ( , u 酬斟颦一挈一挈卜 a ( 研p v ) - d i v ( p v u ) = d i v ( p 酬斟呈字一孥一挈卜 ( 2 1 5 b ) o ( 研, o w ) + d i v ( p w u ) = d i v ( , u 酬斟挈一挈一挈卜 1 4 江苏大学硕士学位论文 广义源项，瓯= e + & ，s ，= e + s ，s ，= c + & ，而其中的、s ，和邑的表达 式如下： =k“t知、+品(喀心(游丢咖),盖-j 2 + 万l 瓦j + 瓦l 瓦j + 瓦【刖1 v u s = 孔针乳豺* 豺昙叫 s 2 瓦l 万j + 万l 万j + 瓦l 万j + 万【舢u j 巴= 丢( 考) + 昙( )