CFD专栏丨汽车镂空式后尾翼的风噪研究

汽车尾翼作为空气动力学附加装置，使得汽车高速行驶时，空气阻力形成一个向下的压力，提高轮胎抓地力，增加高速行驶稳定性，同时改善汽车尾部流场降低行驶风阻。由于轿车的尾翼通常安装在后行李舱盖末端，仅须考虑升力和阻力，不用太担心风噪的问题。而对于SUV/MPV这种方正的尾部造型，尤其是设计师为了提高造型的运动性和品牌个性，会在车顶末端采用镂空式尾翼设计。在高速行驶过程中，气流快速流过尾翼的镂空区域，冲刷后窗玻璃，导致振动激励向车内传递噪声，同时紊乱的气流之间相互摩擦本身也会产生高湍动能，通过声辐射的方式向车内传递。

SUV/MPV车型的后尾翼通常安装在车顶末端

本文采用空气动力学分析模块ultraFluidX和统计能量法模块SEAM分析镂空尾翼对风噪的影响。

某SUV车型的后镂空尾翼

► HyperMesh CFD导入车身STL数据，设置虚拟风洞参数：

• 仿真物理时间1.1秒，玻璃表面压力信号从0.3秒开始采样，采样频率18.6K Hz。

• 远场格子尺寸256mm，车头和车尾8mm, 玻璃表面贴体加密1mm。

• 来流风速120km/h，车轮静止。
  

• Smagrorinsky LES大涡模拟。

► 由于车身造型对称，采用半模型计算，总格子数1.2亿，4张英伟达A100计算时间4.5小时。

HyperMesh CFD虚拟风洞加密设置

► HyperMesh NVH导入CFD的计算结果，玻璃表面的瞬态风压，设置SEA参数：

• 乘员舱车型（Sedan/ SUV/ MPV/ Crossover），声腔体积，混响时间曲线。

• 每块车玻璃的属性：是否有声学夹层，厚度，密度，模量，阻尼曲线。

• 采用对称边界，仅须输入驾驶员侧的玻璃载荷。

► Green House Noise工具首先对时域压力脉动进行信号处理，在波数空间将信号分解为Acoustic pressure和Hydrodynamic pressure, 然后调用SEAM求解器，计算噪声的传递损失，获取乘员舱内部不同空间位置的噪声频谱曲线和语言清晰度。

Green House Noise风噪分析工具

CFD模型的尾部空间加密

从对称面的时间平均风速看，封闭25mm的镂空区域带来的尾流变化并不十分显著。上图为baseline，下图为seal。

Y0对称面的时间平均风速

瞬态速度场动画可见尾翼上表面和下表面的巨大速度差造成的气流剪切和翻滚。

Y0对称面的瞬态风速云图

流线动画显示，后挡风玻璃表面存在向上的低速空气流动，后挡风玻璃下游的负压区存在顺时针旋转的较大漩涡。

Y0对称面的瞬态风速流线图

瞬态压力场动画可见尾翼上表面不断有漩涡脱离，并在下游破碎耗散。

Y0对称面的瞬态风压云图

瞬态涡量场动画可见后挡风表面的下部存在较强的气流漩涡强度。

Y0对称面的瞬态Vorticity云图

从水平切面的流场看，主要区别在尾迹区域，对上游几何无影响。

过后视镜高度水平切面的瞬态风速云图

后挡风玻璃表面1~4号压力测点的声压级信号，实线baseline, 虚线seal, 可以看出：在小于2000Hz频率范围内，seal模型的声压级幅值大约低10dBA。

后挡风玻璃表面监测点的风压SPL曲线

后挡风玻璃的Hydrodynamic dBMap对比，选取500/ 1000/ 2000/ 4000Hz频率段。Hydrodynamic pressure通常在低频贡献较大，由于镂空尾翼区域的气流加速效应，baseline模型的噪声源明显高于seal模型。

后挡风玻璃的Acoustic dBMap对比，选取1000/2000/4000/8000Hz频率段。Acoustic pressure通常在高频贡献较大，且由于透射效果高于Hydrodynamic pressure，对舱内人员的语言清晰度影响会更大些。

• AWPS（Area Weighted Power Spectrum）面积加权功率谱，反映的是玻璃表面由于外流场激励的噪声源特性。AWPS和噪声信号传递损失，如玻璃厚度，阻尼等因素无关。可用于评估由于外造型变化带来的声载荷的变化。

• Baseline模型在后挡风玻璃的声载荷明显高于Seal模型。

后挡风玻璃表面的AWPS

• NVH风噪工具根据车型模板将乘员舱自动分为若干个子系统，SEAM模拟噪声能量在各个子系统内的流动和耦合。

• 前挡风和侧窗玻璃设置为夹层玻璃，后挡风设置为单层钢化玻璃。驾驶员头部空间的SPL曲线对比，差别主要在200~500Hz，总声压级Overall Sound Pressure Level差别0.7dBA， 语言清晰度差别0.4%。

驾驶员头部空间的SPL曲线对比

 （蓝色-baseline, 红色-seal）

后排乘客头部空间的SPL曲线对比

 （蓝色-baseline, 红色-seal）

通过仿真计算，研究了某SUV车型后尾翼的镂空设计对风噪的影响。对比baseline（原始设计模型）和seal（封闭尾翼间隙）两个模型的结果，可以看到汽车外流场整体差异并不十分明显。但是将CFD瞬态压力脉动结果进行信号处理后，风噪可见明显区别。Seal模型后挡玻璃表面的AWPS（面积加权功率谱）总体降低了4.5dBA。再对比乘员舱内的噪声差异，驾驶员头部区域噪声差别较小，后排乘客头部区域总声压级差别为3.2dBA，语言清晰度差别3.5%。