ANSYSFluent在汽車氣動噪聲領域的應用和案例分享

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一、引言

在過去的幾年里,汽車產業一直蓬勃發展,并在許多方面經歷著本質的、革命性的變化。提高燃油效率、減少環境污染是政府、行業市場和消費者共同的要求。然而,隨著汽車的類型,款式和技術的演變,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汽車舒適性的指標,并且受到越來越多消費者的重視。

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),是很多消費者關注的指標,甚至可能成為購車選擇中的決定性因素。通常來說,不同的消費群體對于噪聲的要求也是不同的。家用車消費者往往更傾向于一個寧靜舒適的車內空間。當前家用車氣動噪聲問題已日趨普遍和突出。

三、技術挑戰

雖然自從Lighthill開創氣動聲學已有半個多世紀,但是由于氣動聲學方程的復雜性,在很長一段時間內都無法實現氣動噪聲的準確計算。傳統測量噪聲的方法主要依賴實驗來實現。隨著計算流體力學和聲學計算方法的成熟,數值計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品設計時加入外氣動仿真,提高未來汽車制造中的競爭優勢,開發不同的產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,氣流容易發生分離,形成復雜的非定常流,引發汽車表面空氣層極大的壓力脈動,從而產生氣動噪聲。該噪聲成為影響車內乘坐舒適性和的重要因素。汽車外形的復雜性以及氣動噪聲的產生和傳播的復雜性,導致對氣動噪聲產生的機理認識和控制還有一定的難度。

根據噪聲源的發生機理,汽車噪聲主要有兩類:機械噪聲和空氣動力學噪聲。而汽車在高速行駛時,空氣動力學噪聲變現的尤為明顯。空氣動力噪聲是由于氣體流動中的相互作用或與固體間的作用而產生的,包括空氣通過車聲縫隙或孔道進入車內而產生的沖擊噪聲、空氣流過車身外突出物而產生的渦流噪聲。空氣與車聲的摩擦聲三個方面。其中后視鏡引起的噪聲是汽車空氣動力學噪聲的重要組成部分。

四、氣動噪聲源種類

單極子噪聲源:可看作振動質量的點源,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度之比正比于馬赫數的平方,而地面運載工具(比如汽車在較高速度180KM/h時,其馬赫數也僅僅0.147),因此四極子噪聲強度遠小于偶極子源噪聲強度,可忽略不計。單極子噪聲為車輛體積位移引起空氣體積脈動產生的,其輻射特性等同于點聲源。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 風噪聲改善方法

車身氣動性能優化

● 后視鏡

● 隱藏式雨刮

● 隱藏式天線

● 流線型車聲外形

● 車頂安裝渦流發生器

車聲隔聲性能優化

● 車門、車窗密封系統

● 風擋、側窗玻璃增厚

● 車身密封

● 汽車空調系統降噪

4.2 風噪聲改善方法

● 低成本,速度快;風洞實驗速度慢且成本高

● 更好的流場可視性,更好地設計決策

● 權衡冷卻氣流和氣動阻力

● 參數化研究

● 可優化的伴隨求解器 (Fluent專用工具,它擴展了傳統流體求解器的分析范疇,能夠提供一個流體系統性能敏感性數據)

4.3 常見聲學建模問題

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

● 聲壓大小:聲壓比靜水壓力小好幾個級別,比如聲壓級 = 80 dB,聲壓 = 0.2 Pa,背景壓力 = 101325 Pa,需要非常細密的網格

● 輻射至遠場:將聲壓輻射至遠場必須使得流體域邊界外也劃分網格

4.4 解決方法

ANSYS Fluent 提供了四種方式來計算氣動噪聲: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與指定的噪聲計算代碼耦合。

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

● 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,如非穩態的雷諾平均方程,過濾的DES和LES方程,然后把求解結果作為噪聲源,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算瞬態流場,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分布在一個頻段范圍內。ANSYS Fluent的寬頻噪聲模型中,湍流參數通過雷諾時均方程求出,在用一定的半經驗修正模型(如邊界層噪聲源模型,線性Euler方程源模型、lilley方程源模型)計算表面單元或體積單元的噪聲功率。

● CFD和指定的噪聲計算代碼耦合:可以ADS格式或CGNS格式輸出噪聲源數據以進行保存,被選源面的所由相關數據都被寫進指定文件。

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行風噪分析(來源:2015 汽車仿真大會) 側后視鏡造成的高強度湍流和瞬態的繞流尾跡,帶來了瞬態的壓力脈動,是風噪聲的主要來源之一。

注: (a) 為計算域 (b)聲音傳播路徑,從聲源-車窗-司機耳朵 (c) 生成的網格 (d)SAE-body

5.1 CFD仿真設置

ANSYS Fluent 16.0

風速:150 km/h

37Mprism+hexcore網格

空間離散格式:

● 動量:Bounded Central Difference(DDES)

● 其他:二階迎風

時間離散

二階隱式,時間步長 = 3e-5s

5.2 振動-噪聲仿真設置

ANSYS Mechanical 16.0

頻率解析度 :3.2Hz

強耦合:3-1000Hz 振動-噪音諧響應分析

頻域導入復雜壓力場

設置ACT擴展

5.3 分析結果

5.4 實驗與仿真結果的對比

分別在200Hz和500Hz頻率下,仿真預測車體的變形,結果顯示與實驗測量十分接近。

六、總結

從以上案例可以看出,ANSYS Fluent 是一款強大的流體分析軟件。對于氣動降噪設計,Fluent中的噪聲模型完全可以滿足設計分析需求,還可以與ANSYS 的Mechanical軟件進行氣動-振動-風噪耦合分析。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計和優化。

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