摘 要

本文利用计算流体力学研究了轿车后视镜区域非定常流场特点以及气动噪声特性。本文以MIRA模型为基础建立了仿真几何模型，首先对比研究了无后视镜的简化轿车模型与装配有某实车后视镜的模型侧窗区域流场、静压力场、侧窗区域声功率级、监测点处声压级等分布情况，了解后视镜的存在对轿车外部气动特性的影响。然后根据上述仿真结果，提出对该后视镜改型降噪的建议，并建立装配有改进后视镜的简化轿车模型，通过数值模拟，与装有原后视镜的模型进行对比，分析改进后视镜模型的降噪效果和机理。

本文的数值模拟分为稳态计算和瞬态计算两个阶段。稳态数值模拟阶段使用k-ω SST模型，能够准确的反映出汽车外部复杂流场特点。瞬态计算采用大涡模拟方法，再应用Lighthill-Curler声类比理论，将瞬态计算得到的流场信号通过FW-H方程转化为噪声信号，通过FFT变换得到所取监测点在频域内的声压级频谱，用来预测车外气动噪声特性。

研究结果表明，车外后视镜的存在使侧窗区域流场变得复杂，提升了轿车外部气动噪声水平；改进后视镜较原始后视镜模型具有良好的降噪效果，在低频区内声压级最高降幅可达20dB左右。

本文的特色在于采用了MIRA模型来研究轿车侧窗区域的流场及气动特性，并依据仿真结果提出了原始后视镜改型降噪的措施，取得了良好的效果，为轿车前期设计阶段的空气动力学优化提供了借鉴。

关键词：后视镜，数值模拟，非定常流场，气动噪声，改型降噪

Abstract

In this paper, the unsteady flow field and aerodynamic noise characteristics of the sedan mirror region are studied by using computational fluid dynamics.The simulation geometry model established in this paper is based on the MIRA model.The distribution of the flow field of side window region,static pressure field,the sound power level of side window region,the sound pressure level of monitoring points of the simplified sedan model without mirrors and the model assembled with a real sedan rear view mirror are compared and studied firstly,from that we can know the influence of the rear view mirror on the aerodynamic characteristics of the sedan.Then according to the simulation results to be researched on above-mentioned,the suggestions on the modification designs and noise reduction of the rear view mirror are made,and the simplified sedan model assembled with the improved rear view mirror is established.Finally,the results of the improved rear view mirror are compared with the results of the model assembled with the original mirror to analysis the noise reduction effects and mechanisms of the improved rear view mirror model by numerical simulation.

In this paper,the numerical simulation involves two stages, the steady state computation and the unsteady state computation.The k-ω SST model is used in the steady state numerical simulation stage,because it can accurately reflect the characteristics of the complex flow field outside the sedan.The unsteady state simulation uses LES model,and then by applying the Lighthill-Curler acoustic analogy theory,the flow field signals obtained from the unsteady state computation are converted into noise signals by using FW-H equations.Finally the Sound Pressure Level (SPL) of monitoring points on frequency spectrum is transformed from fluctuation pressure via Fast Fourier Transform (FFT).It can be used to predict the aerodynamic noise characteristics of vehicle exterior space.

The research results show that the presence of the sedan exterior mirror makes the flow field of the side window region more complicated and improve the external aerodynamic noise level of the sedan; the improved mirror model has a good effect on noise reduction compared with the original mirror model,and the maximum decrease of the Sound Pressure Level in the area of low frequency can be up to 20dB.

The characteristic of this paper is that the MIRA model is used to study the flow field and aerodynamic characteristics of the sedan side window region. According to the simulation results,the modification designs and noise reduction measures on the original mirror are made and the effect is good.The research work in this paper provides a reference for the optimization of air dynamics in the preliminary design stage of the sedan.

Keywords:Rear View Mirror,Numerical Simulation,Unsteady Flow Field,Aerodynamic Noise,Modification Designs and Noise Reduction

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 3

1.3论文主要研究内容 4

第2章 研究基础与研究方法 6

2.1汽车主要噪声源 6

2.1.1发动机噪声 6

2.1.2传动系统噪声 6

2.1.3路面激励噪声 7

2.1.4空气动力学噪声 7

2.2车身表面气动噪声源分类 7

2.2.1泄漏噪声 8

2.2.2边缘噪声 9

2.2.3空腔共鸣噪声 9

2.2.4风鸣噪声 9

2.2.5风激励噪声 10

2.3气动噪声研究方法 10

2.3.1理论基础 10

2.3.2数值模拟方法 11

2.3.3实验方法 13

2.4 CFD数值模拟控制方程 14

2.4.1质量守恒方程 14

2.4.2动量守恒方程 15

2.4.3能量守恒方程 16

2.4.4湍流模型方程 16

2.5 CFD软件相关介绍 19

2.6本章小结 20

第3章 仿真模型气动噪声数值模拟 22

3.1仿真模型的建立 22

3.1.1几何模型 22

3.1.2计算域选择 23

3.1.3划分网格 24

3.2稳态数值模拟 28

3.2.1计算设置 28

3.2.2稳态计算结果及分析 31

3.3瞬态数值模拟 38

3.3.1湍流模型的选取 38

3.3.2参数设置 39

3.3.3瞬态计算结果及分析 41

3.4本章小结 43

第4章 后视镜改型降噪研究 45

4.1仿真模型的建立 45

4.1.1几何模型 45

4.1.2计算域选择 47

4.1.3划分网格 48

4.2稳态数值模拟 48

4.2.1压力场分析 49

4.2.2侧窗区域流场分析 50

4.2.3后视镜后部流场分析 51

4.2.4侧窗表面声功率级分析 53

4.3瞬态数值模拟 54

4.4本章小结 56

第5章 总结与展望 58

5.1全文总结 58

5.2展望 59

参考文献 60

致谢 64

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着我国经济水平的提高以及科学技术的发展，汽车已经成为人们生活当中必不可少的交通工具。由于现代科学技术的限制，汽车在短时间内仍是不可取代的代步工具，它给人们带来方便的同时，也带来了一系列负面影响，包括空气污染、噪声污染、交通拥堵等问题。其中，汽车的噪声污染严重影响着驾驶者和乘员的乘坐舒适性，也给周围人群的生活带来一定的困扰。汽车噪声主要来自于四个部分，它们分别是路面激励噪声、传动系统噪声、发动机噪声和空气动力学噪声^[1]。研究表明，在噪声的影响下，驾驶员容易产生急躁、焦虑等负面情绪，使人精力不能集中，极易引发交通事故；长期处于噪音环境中，容易导致人的记忆力下降、反应迟钝、睡眠质量下降等生理问题^[2]。

为了限定汽车噪声的水平、降低其对人的影响程度，很多国家通过颁布一系列法令法规对汽车噪声进行控制。1979年，针对汽车噪声我国颁布了两项国家标准，分别是GB1495-1979《机动车辆允许噪声》与GB1496-1979《机动车辆噪声测量方法》。2002年，随着GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限制及测量方法》的发布，我国的汽车噪声控制要求又提升到了更高水平^[1]。

由前述内容已知，汽车噪声主要包括发动机噪声等四个部分，汽车在低速行驶时，主要噪声源来自发动机、传动系统和制动系统，随着各国技术人员不断的深入研究，这类噪声已经下降到了较低的水平，其对汽车总体噪声的贡献量越来越小。汽车高速行驶时，空气动力学噪声占到汽车总体噪声的60%^[6]，成为噪声的主要来源，并且随着汽车行驶速度的不断提高，这类噪声会越来越剧烈，而人们在空气动力学噪声方面的研究尚且不足，随着汽车行驶的高速化发展趋势和高速公路的普及，研究汽车的气动噪声显得意义重大。从空气动力学角度来看，后视镜作为车外显著的突出物，是气动噪声的主要来源之一^[5]。后视镜的尾流区域结构复杂，产生的湍流结构规律性运动并不断拍打前车窗，从而向车内传递噪声。车窗玻璃由于其特殊的位置与作用，并不能通过添加吸声材料来达到降噪的目的，所以研究后视镜区域非定常流场特性及其气动噪声产生机理，探索后视镜造型及安装形式对气动噪声产生的影响，均有助于降低汽车的气动噪声水平。

1.2研究现状

1.2.1国内研究现状

国内对于汽车空气动力学噪声的研究起步较晚，主要的研究内容以实际应用为主，而理论研究较少，发展过程大体经过了对气动噪声的认识与改型降噪的阶段^[7-15]。1995年^[2]，来自江苏理工大学的葛芚、宫镇借助风洞试验，测量了桑塔纳轿车简化模型表面监测点处的压力检测数据。