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基于Actran的汽车风噪仿真技术及应用案例

当汽车行驶速度大于100km/h 时,外部风噪声会传播到车内。目前常用的汽车风噪声研究验证方法为采用CFD与CAA混合的方法,精确描述紊流导致的噪声源:

• 后视镜后部形成的尾迹区域;

• 侧窗和A柱区域形成的湍流区。



图1-1 汽车风噪声形成过程示意图.png

图1-1 汽车风噪声形成过程示意图



本文以FFT(Actran原厂)和volvo合作的汽车风噪声项目为例,介绍两种汽车风噪声计算方法:

  1. 基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解方法;

  2. 基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解方法。



瞬态CFDActran Aero-Acoustics联合求解

本项目中采用Volvo-V70车型,研究工况为140km/h ( Mach = 0.114)。


图2-1基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解流程.png

图2-1基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解流程


Volvo在本次项目中采用的CFD模拟软件是Fluent,Actran支持与绝大多数CFD软件的数据连通,如Starccm+,SC/Flow,CFX…


在CFD模拟中,瞬态分析中采用LES湍流模型,采用不可压缩空气模型,Δt=2E-5s,保存数据的物理时间为0.03022s到0.29022s。


图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域.png图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域2.png

图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域


图2-3 声学计算区域及监测点.png

图2-3 声学计算区域及监测点


需要注意的是,当CFD的网格尺度过大,数值耗散较大时,CFD的数据就很难反映出高频的声波信息。网格尺度与截止频率的关系式为:

fc公式.png (2-1)


其中F是声学截止频率,Ƹ是湍动能耗散率,Δ是网格尺度。

当CFD模拟中,声源区域的网格平均尺度为4mm时,可以支持到的声学截止频率约1250Hz,如下图所示。


图2-4 湍动能耗散率及截止频率.png

图2-4 湍动能耗散率及截止频率


图2-5 4mm的CFD网格对应的声学计算结果.png

图2-5 4mm的CFD网格对应的声学计算结果


图2-6 2mm的CFD网格对应的声学计算结果.png

图2-6 2mm的CFD网格对应的声学计算结果


小结

  1. 当采用瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解风噪声时,可以得到精确的计算结果,包括计算车外噪声和车厢内噪声;

  2. 此时的瞬态CFD对网格要求比较高,一方面湍流模型的选取直接决定边界层网格尺度;另一方面上文介绍到的截止频率问题,CFD网格尺度直接决定声学结果的频率上限。



基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解


SNGR方法的基本原理是:基于RANS计算得到的时均流场的速度、湍流动能分布特性,通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据。利用ACTRAN的声类比方法计算声源和噪声传播。

由于RANS为稳态结果,为了保证可以输出频域的噪声结果,需要添加与时间相关的项(下图中的随机函数),从而合成脉动速度。


图3-1 SNGR方法的基本原理.png

图3-1 SNGR方法的基本原理


SNGR方法的主要特点:

–采用更高效、稳态的CFD数据进行CAA分析

–可快速识别噪声源的位置

–可应用于不同设计/结构之间的相对水平的预测

–中高频段的精确模拟


该项目中采用与上述同款车型、同车速进行模拟。CFD 设置 :

–雷诺时均方法(RANS)

–K-ε 标准湍流模型

–不可压缩


图3-2 CFD计算域及声学计算域.png

图3-2 CFD计算域及声学计算域



声学设置内容包括:

–声源区域来自CFD计算域,声源区域网格重新生成

–声学吸收区域(Buffer region,对应APML)在各方向均为0.05m厚

–自适应的完美匹配层(APML)

–设置4个可以监测Y方向声强的虚拟麦克风

计算时采用的计算机性能:(2x Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2697 v4 @ 2.30GHz 处理器,8核)

Number of CFD Cells (MCells)11.82.5

Computational time per Realization4h3055min

Memory Consumption117GB36GB


表格


由此可知:采用SNGR方法时,CFD网格只有2.5Milloin,所以计算成本很低,且计算结果非常精确;同时在计算噪声时可以选择更为精确的频率分辨率(可以设置为2Hz)。


SNGR对CFD网格的要求是什么样的呢?是不是也有上文中的截止频率问题。我们用2中尺寸的CFD网格来输出数据,并用SNGR方法计算风噪声。分别在声源区域采用2mm和4mm的网格尺寸(声源区平均的网格大小)。


图3-3. 不同CFD网格示意图.png

图3-3. 不同CFD网格示意图


图3-4. 不同CFD网格对应的SNGR声学结果.png

图3-4. 不同CFD网格对应的SNGR声学结果


从上图来看:

  1. 两个结果较为接近。采用SNGR方法预测风噪声时,对CFD网格的尺度反应不灵敏,也就是不需要采用特别密集的网格来进行稳态CFD分析;

  2. 采用SNGR方法时,不需要考虑截止频率的影响;

  3. SNGR计算风噪声仅需CFD稳态流场的收敛和湍动能的准确统计即可。



两种方法的比较


SNGR方法的基本原理是:基于RANS计算得到的时均流场的速度、湍流动能分布特性,通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据。利用ACTRAN的声类比方法计算声源和噪声传播。


下面对比SNGR方法和非定常CFD+AERO-Acoustics方法的区别。


项目中CFD的网格均采用4mm的尺寸,SNGR计算结果(SNGR计算结果需等比例缩放)与非定常CFD+AERO-Acoustics结果进行对比。


图4-1. 两种模拟结果与实验测试结果对比.png

图4-1. 两种模拟结果与实验测试结果对比


以上结果可知:

  1. 从图上来看,如果主要声源区网格尺度约4mm,那么采用瞬态CFD方法+Actran联合计算风噪时,可以计算到1250Hz左右,同样2mm的声源区网格可以支持到2000Hz。因此,如果获得较为精确的风噪结果,可以采用瞬态CFD + Actran Aero-Acoustics的方法。

  2. SNGR方法在低频有些信息缺失,无法精确捕捉低频结果;但SNGR可以很好的预测400Hz~3000Hz频段汽车风噪声大小;因此,由于SNGR对CFD的要求较低,中高频利用Actran SNGR可以快速、高效且准确的预估风噪声大小。

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