ANSYSFluent在汽車氣動噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用和案例分享

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、引言

在過去的幾年里,汽車產(chǎn)業(yè)一直蓬勃發(fā)展,并在許多方面經(jīng)歷著本質(zhì)的、革命性的變化。提高燃油效率、減少環(huán)境污染是政府、行業(yè)市場和消費(fèi)者共同的要求。然而,隨著汽車的類型,款式和技術(shù)的演變,客戶的需求也在不斷的變化,對汽車在燃油效率,安全性,舒適性方面的要求不斷提高。NVH為其中一種用來評價(jià)汽車舒適性的指標(biāo),并且受到越來越多消費(fèi)者的重視。

二、NVH定義

NVH是Noise(噪聲)、Vibration(振動)和Harshness(聲振粗糙度,也可通俗的理解為不平順性)的總稱。NVH中的N,及噪音(Noise),是很多消費(fèi)者關(guān)注的指標(biāo),甚至可能成為購車選擇中的決定性因素。通常來說,不同的消費(fèi)群體對于噪聲的要求也是不同的。家用車消費(fèi)者往往更傾向于一個(gè)寧靜舒適的車內(nèi)空間。當(dāng)前家用車氣動噪聲問題已日趨普遍和突出。

三、技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然自從Lighthill開創(chuàng)氣動聲學(xué)已有半個(gè)多世紀(jì),但是由于氣動聲學(xué)方程的復(fù)雜性,在很長一段時(shí)間內(nèi)都無法實(shí)現(xiàn)氣動噪聲的準(zhǔn)確計(jì)算。傳統(tǒng)測量噪聲的方法主要依賴實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算流體力學(xué)和聲學(xué)計(jì)算方法的成熟,數(shù)值計(jì)算正在成為解決氣動噪聲問題的主要工具。ANSYS Fluent幫助汽車制造商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)加入外氣動仿真,提高未來汽車制造中的競爭優(yōu)勢,開發(fā)不同的產(chǎn)品以滿足不同的客戶需求。

汽車行駛速度不斷提高,但由于氣動噪聲的數(shù)值與車速的六次方成正比,及速度每增加一倍,氣動噪聲將增加18dB左右,因此,汽車產(chǎn)生的氣動噪聲顯得十分突出;這是由于汽車外形存在大的拐角、截面變化和各種突出物,氣流容易發(fā)生分離,形成復(fù)雜的非定常流,引發(fā)汽車表面空氣層極大的壓力脈動,從而產(chǎn)生氣動噪聲。該噪聲成為影響車內(nèi)乘坐舒適性和的重要因素。汽車外形的復(fù)雜性以及氣動噪聲的產(chǎn)生和傳播的復(fù)雜性,導(dǎo)致對氣動噪聲產(chǎn)生的機(jī)理認(rèn)識和控制還有一定的難度。

根據(jù)噪聲源的發(fā)生機(jī)理,汽車噪聲主要有兩類:機(jī)械噪聲和空氣動力學(xué)噪聲。而汽車在高速行駛時(shí),空氣動力學(xué)噪聲變現(xiàn)的尤為明顯?？諝鈩恿υ肼暿怯捎跉怏w流動中的相互作用或與固體間的作用而產(chǎn)生的,包括空氣通過車聲縫隙或孔道進(jìn)入車內(nèi)而產(chǎn)生的沖擊噪聲、空氣流過車身外突出物而產(chǎn)生的渦流噪聲?？諝馀c車聲的摩擦聲三個(gè)方面。其中后視鏡引起的噪聲是汽車空氣動力學(xué)噪聲的重要組成部分。

四、氣動噪聲源種類

單極子噪聲源:可看作振動質(zhì)量的點(diǎn)源,其聲功率與流場平均流速的四次方成正比。

偶極子噪聲源:由壓力脈動引起的聲源,其聲功率與流場平均流速的四次方成正比。

四極子噪聲源:來源于湍流的剪切應(yīng)力,其聲功率與流場平均流速的八次方成正比。

由于氣動噪聲中的四極子聲源與偶極子源噪聲強(qiáng)度之比正比于馬赫數(shù)的平方,而地面運(yùn)載工具(比如汽車在較高速度180KM/h時(shí),其馬赫數(shù)也僅僅0.147),因此四極子噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于偶極子源噪聲強(qiáng)度,可忽略不計(jì)。單極子噪聲為車輛體積位移引起空氣體積脈動產(chǎn)生的,其輻射特性等同于點(diǎn)聲源。汽車表面在氣動噪聲分析中可看作剛性,所以單極子源噪聲可近似為零。因此,汽車的氣動噪聲源主要為偶極子源。

4.1 風(fēng)噪聲改善方法

車身氣動性能優(yōu)化

● 后視鏡

● 隱藏式雨刮

● 隱藏式天線

● 流線型車聲外形

● 車頂安裝渦流發(fā)生器

車聲隔聲性能優(yōu)化

● 車門、車窗密封系統(tǒng)

● 風(fēng)擋、側(cè)窗玻璃增厚

● 車身密封

● 汽車空調(diào)系統(tǒng)降噪

4.2 風(fēng)噪聲改善方法

● 低成本,速度快;風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)速度慢且成本高

● 更好的流場可視性,更好地設(shè)計(jì)決策

● 權(quán)衡冷卻氣流和氣動阻力

● 參數(shù)化研究

● 可優(yōu)化的伴隨求解器 (Fluent專用工具,它擴(kuò)展了傳統(tǒng)流體求解器的分析范疇,能夠提供一個(gè)流體系統(tǒng)性能敏感性數(shù)據(jù))

4.3 常見聲學(xué)建模問題

● 頻域范圍(20Hz ~ 20,000Hz)非常廣:對于聲學(xué),時(shí)間分辨率通常比流體解的分辨率大好幾個(gè)級別

● 聲壓大小:聲壓比靜水壓力小好幾個(gè)級別,比如聲壓級 = 80 dB,聲壓 = 0.2 Pa,背景壓力 = 101325 Pa,需要非常細(xì) 密的網(wǎng)格

● 輻射至遠(yuǎn)場:將聲壓輻射至遠(yuǎn)場必須使得流體域邊界外也劃分網(wǎng)格

4.4 解決方法

ANSYS Fluent 提供了四種方式來計(jì)算氣動噪聲:直接模擬方法、基于比擬的積分方法、使用寬頻噪聲源模型的方法以及將CFD與指定的噪聲計(jì)算代碼耦合。

● Computational Aeroacoustics (CAA 直接模擬):該種方法聲音的產(chǎn)生和傳播直接通過求解合適的流體動力學(xué)方程獲得, 要求高精度的求解方法,非常細(xì)密的計(jì)算網(wǎng)格以及聲音無反射邊界條件,計(jì)算代價(jià)大。

● Acoustic Analogy Modeling (聲比擬模型):對中場和近場噪聲,Fluent采用基于Lighthill的聲比擬方法,近場流場從控制方程中獲得,如非穩(wěn)態(tài)的雷諾平均方程,過濾的DES和LES方程,然后把求解結(jié)果作為噪聲源,通過求解波動方程得到解析解,這樣就把流動求解過程從聲學(xué)分析中分離出來。聲比擬基于兩步法:首先采用CFD方法在噪聲源附近精確的計(jì)算瞬態(tài)流場,其次從聲源處到接受處噪聲通過求解波動方程獲得。

● Broadbank (寬頻噪聲模型): 許多情況下聲波能量連續(xù)分布在一個(gè)頻段范圍內(nèi)。ANSYS Fluent的寬頻噪聲模型中,湍流參數(shù)通過雷諾時(shí)均方程求出,在用一定的半經(jīng)驗(yàn)修正模型(如邊界層噪聲源模型,線性Euler方程源模型、lilley方程源模型)計(jì)算表面單元或體積單元的噪聲功率。

● CFD和指定的噪聲計(jì)算代碼耦合:可以ADS格式或CGNS格式輸出噪聲源數(shù)據(jù)以進(jìn)行保存,被選源面的所由相關(guān)數(shù)據(jù)都被寫進(jìn)指定文件。

五、案例分享

采用氣動-振動-噪聲耦合的分析方法對汽車車窗進(jìn)行風(fēng)噪分析(來源:2015 汽車仿真大會) 側(cè)后視鏡造成的高強(qiáng)度湍流和瞬態(tài)的繞流尾跡,帶來了瞬態(tài)的壓力脈動,是風(fēng)噪聲的主要來源之一。

注: (a) 為計(jì)算域 (b)聲音傳播路徑,從聲源-車窗-司機(jī)耳朵 (c) 生成的網(wǎng)格 (d)SAE-body

5.1 CFD仿真設(shè)置

ANSYS Fluent 16.0

風(fēng)速:150 km/h

37Mprism+hexcore網(wǎng)格

空間離散格式:

● 動量:Bounded Central Difference(DDES)

● 其他:二階迎風(fēng)

時(shí)間離散

二階隱式,時(shí)間步長 = 3e-5s

5.2 振動-噪聲仿真設(shè)置

ANSYS Mechanical 16.0

頻率解析度 :3.2Hz

強(qiáng)耦合:3-1000Hz 振動-噪音諧響應(yīng)分析

頻域?qū)霃?fù)雜壓力場

設(shè)置ACT擴(kuò)展

5.3 分析結(jié)果

5.4 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對比

分別在200Hz和500Hz頻率下,仿真預(yù)測車體的變形,結(jié)果顯示與實(shí)驗(yàn)測量十分接近。

六、總結(jié)

從以上案例可以看出,ANSYS Fluent 是一款強(qiáng)大的流體分析軟件。對于氣動降噪設(shè)計(jì),Fluent中的噪聲模型完全可以滿足設(shè)計(jì)分析需求,還可以與ANSYS 的Mechanical軟件進(jìn)行氣動-振動-風(fēng)噪耦合分析。隨著用戶使用和理解的不斷深入,ANSYS Fluent必將推動氣動降噪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

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