汽車天窗風(fēng)振性能研究

1、汽車天窗性能研究1，1,1，1，11華晨汽車工程，沈陽 110141摘要：本文應(yīng)用計算流體STAR-CCM+對某車型天窗開啟狀態(tài)下進行外流場的計算，并以提高整車氣動性能為目的進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效的起到了減小，提高駕駛舒適性的作用。：天窗；外流場；駕駛舒適性；STAR-CCM+；Automotive Sunroof wind vibration performance studyAbstract: A CFD software STAR-CCM+ is used in this article to simulate the sunroof opened vehicle external flo

2、w of a certain vehicle type. In order to improve the aerodynamic performance of the whole vehicle, the structure optimization. Consequently, the wind shake is effectively reduced, and driving comfort is increased.Keywords: The sunroof; External flow; Driving comfort; STAR-CCM+0 前言風(fēng)的振動噪聲是氣動噪聲的一個重要組成部

3、分。它是由于汽車天窗開啟后而產(chǎn)生的，它頻率低但強度卻很高，雖然它不易被人耳聽到，但它產(chǎn)生的脈動和疲倦。根據(jù)查閱文獻和以前項目經(jīng)驗，這種現(xiàn)象的強噪音通常發(fā)生在/h 左右, SPL > 100dB (A) 。卻使乘客感到煩躁40km /h -65km天窗的應(yīng)用，當汽車天窗打開時，車廂內(nèi)就形同空腔。在車頂開口的前部邊緣，車外高速通過的氣流和車內(nèi)相對靜止的氣體之間一個剪切層。當車內(nèi)外氣流的速度差超過一個臨界值后，剪切層就會處于不的狀態(tài)，最終形成漩渦，并周期性地散發(fā)，隨著氣流一起。當漩渦撞擊到天窗開口的后緣處，渦旋破碎，產(chǎn)生一個向四面?zhèn)鞑サ牟?。傳到車外的一部分波到達開口的前緣，將再次渦旋的脫落，形

4、成反饋回路。這個過程每秒鐘會重復(fù)很多次，并且引起剪切層產(chǎn)生一個特定的振動頻率，如果這個頻率與車廂的固有頻率相同，將會發(fā)生共振，這種類型的共振稱為亥姆共鳴，即天窗的烈的脈動現(xiàn)象。通常這個振動頻率不在人的聽力范圍內(nèi)，但是乘客仍然能夠感覺到一股強，長時間處于這樣的環(huán)境中會使人疲倦和煩躁不安。STAR-CCM+對某車型進行了整車外流場的計算，通過對汽車本文利用計算流體力學(xué)天窗附近速度場以及各截面速度場分析，對該車前唇擾流板，前后輪擾流板，以及后擾流板的組合優(yōu)化進行評價。1 建立計算模型1.1 物理模型流體要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。(1) 質(zhì)量守恒方

5、程（連續(xù)方程）divv = 0(1)(2) 動量守恒方程（方程，Navier-Stokes 方程）¶p¶vdiv(rvv - mgradv ) =+ div(meff)(2)ieffi¶¶xxii(3) 能量守恒方程¶(rT )K+ div(rvT ) = div(gradT ) + STC(3)¶TP式中. v 為平均速度, vi 為平均速度分量, xi 為坐標分量, T 為溫度, K 為流體的傳熱系數(shù),CP 為比熱容, ST 為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。通常在對外流場模擬的時候應(yīng)用較多的是 RNG k

6、- 湍流模型。在這種模型中,通過在大尺度和后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響,將小尺度從方程中移除。在對ui¢u¢j (Navier-Stokes 方程進行時均化處理時,引進了新的變量項應(yīng)力項) 。為使方應(yīng)做出某種,封閉,必須對應(yīng)力做出某種,在大量的實驗基礎(chǔ)上推導(dǎo)出在大量的實驗基礎(chǔ)上推導(dǎo)出應(yīng)力方程如下 3(4) 湍能k 方程ediv(rvk - Geff grade ) = k (C1G - C2 re)(5) 湍動能耗散率方程（4）div(rvk - G grade ) = e (C G - C re)eff12k（5）G = m 2(¶vi )2 + (¶u

7、 + ¶y )2 + (¶y + ¶v )2 + (¶v + ¶u )2 effå3i=1¶x¶y¶x¶z¶y¶x¶z其中，i能, e 為湍能耗散率 meff 為湍流有效黏性系數(shù), r 為空氣密度,表Geff式中 k 為湍Geeff示湍動能有效擴散系數(shù),1.2 幾何模型表示湍動能黏性耗散率有效擴散系數(shù)。由于計算結(jié)果的精確度與網(wǎng)格單元的大小密切相關(guān)，但是網(wǎng)格數(shù)量受計算機硬件制約嚴重，故只能對模型做局部加密細化，例如進氣格柵，發(fā)艙內(nèi)部冷卻系統(tǒng)等部件需要細化， 對結(jié)果影響

8、不大的區(qū)域網(wǎng)格則需漸進粗化。在 ANSA 中進行幾何處理并劃分面網(wǎng)格，如圖 1、圖 2 所示。圖 1 天窗流場建模圖 2 天窗附近結(jié)構(gòu)在前處理后導(dǎo)入 STAR-CCM+中進行 Surface Remesher 以及體網(wǎng)格的生成4。生成流體計算域，域基本為：車前 3 倍車長，車后 7 倍車長，寬度 4 倍車寬，高 5 倍車高。分別為 60mm、80mm、120mm，以及后視鏡區(qū)外流場體網(wǎng)格采取三個區(qū)域加密，域局部加密為 15mm。圖 3 計算域1.3 初始邊界條件采取速度邊界條件（20km/h、60km/h、80km/h），出口為邊界，其他壁面為滑移壁面，地面為非滑移壁面。2 模型計算結(jié)果2.1

9、 初始模型根據(jù)相關(guān)工程師提供的整車幾何模型，建立整車外 CAS、詳細的內(nèi)飾模型（座椅和假人模型）、完整的天窗模型及與天窗連接的白車身和頂蓋內(nèi)飾板模型 ，如圖 1 所示。2.2 計算結(jié)果風(fēng)速較強風(fēng)速較弱圖 4 速度 20km/h圖 5 速度 60km/h20km/h 時，氣流進入天窗上部的風(fēng)速較小，遮陽板下部風(fēng)速幾乎為零，對車內(nèi)噪聲影響幾乎為零；60km/h 時，從天窗上部和遮陽板上部進入的氣流流速都較大，并在天窗后部形成交匯，增強內(nèi)飾空腔形成的脈動，導(dǎo)致噪顯。板縫隙漏氣風(fēng)速大圖 6 速度 80km/h80km/h 時，從天窗上部和遮陽板上部進入的氣流流速都較大，并在天窗后部形成交匯，但是在試驗

10、過程中，沒有出現(xiàn)噪論分析是由于風(fēng)速增大，氣流引起內(nèi)飾板的頻率與內(nèi)飾板的振動頻率不同，不能形成振動，進而出現(xiàn)駕駛內(nèi)噪聲）。通過對天窗開啟狀態(tài)下，分別為 20、60、80km/h 的分析中發(fā)現(xiàn)，為 60km/h時，天窗附近的流場變化較為激烈，的。2.3 優(yōu)化分析HH圖 7 優(yōu)化方案 1圖 8 優(yōu)化方案 2圖 9 優(yōu)化方案 3天窗開啟狀態(tài)下，可以的主要有以下幾種，如圖 7、8、9 所示：1.在天窗空腔前緣增高導(dǎo)流板；2.選擇不同的天窗導(dǎo)流板方案，如鋸齒形、；3.天窗的最大開啟行程。本文采用方案 1 來優(yōu)化天窗開啟狀態(tài)下的場的變化情況。模型風(fēng)速為 60km/h。對比優(yōu)化前后流圖 10 天窗流線圖（優(yōu)化

11、前）圖 11 天窗流線圖（優(yōu)化后）圖 12 天窗流場圖（優(yōu)化前）圖 13 天窗流場圖（優(yōu)化后）因為渦流是產(chǎn)生的噪聲源，通過板與車表面高度差增加到 1.2cm 后，避免天窗前的渦流，減弱或避免了內(nèi)飾與車體間空腔形成的脈動，如圖 10、11 所示；通過抬高板高度，使得氣流進入天窗上部的風(fēng)速較小，遮陽板下部風(fēng)速幾乎為零，進而降低了對影響，如圖 12、13 所示。3 結(jié)論通過抬高板的高度，可以減少天窗附近的渦流，進而削弱影響，滿足駕駛舒適性要求。在項目開發(fā)的過程中，要尋找合適的優(yōu)化方案來避免現(xiàn)象，通過更改天窗行程也是易實現(xiàn)，低成本的解決。，在項目的初期，選擇開天窗的合理位置、天窗板的結(jié)構(gòu)尤為重要。參考

12、文獻12345.汽車理論M.：機械工業(yè)，2002.三維湍流轎車外流場數(shù)值模擬D.吉林：吉林工業(yè)大學(xué)，2000. 計算流體動力學(xué)分析M .:,2004.-拖拉機與農(nóng)用亮. 汽車風(fēng)噪聲產(chǎn)生機理研究車，2008,35（6）.Syed R. Ahmed. Flow-induced noise from ground vehicles-problems and prospects of numerical simulation. Society of Engineering Science, 35th annual meeting, 1998.STAR-CCM+ 幫助文檔.678,汽車氣動噪聲數(shù)值計算分析與Wang，Y. and Liu Y.，Prediction of 3D,湖南大學(xué).Hydrodynamic Noise Based on Equivalent Source Method,Advanced