汽车尾翼CFD仿真：镂空尾翼竟藏着这样的秘密？风噪问题大揭秘！

家人们，今天咱们来聊聊汽车设计里超有意思的一个部件 —— 汽车后尾翼。别小看它，在汽车高速行驶时，尾翼靠着空气阻力产生向下的压力，能让轮胎和地面 “抓” 得更牢，大大提升汽车高速行驶的稳定性。而且，它还能把汽车尾部的气流理顺，减少风阻，作用可不小！

一般轿车的尾翼安装在后行李舱盖末端，因为轿车车身线条流畅，设计时主要考虑尾翼产生的升力和阻力就行，不太用担心风噪问题。但 SUV 和 MPV 就不一样啦！为了让车看起来更运动，凸显品牌个性，设计师常常会在车顶末端采用镂空式尾翼设计。可这也带来了一个麻烦，车高速行驶时，气流快速流过尾翼镂空处，会直接冲击后窗玻璃，玻璃振动产生的声音会传到车里。同时，紊乱的气流相互摩擦产生的能量也会以声音形式传入车内，让车内噪音变大，严重影响乘车舒适性。

今天，就带大家看一个超厉害的仿真案例。Altair 公司运用空气动力学分析模块 ultraFluidX 和统计能量法模块 SEAM，对镂空尾翼的风噪影响进行了研究。

研究对象是某 SUV 车型的后镂空尾翼，尾翼和车窗之间的间隙约为 25mm。研究人员计算对比了两个模型：baseline（镂空尾翼原始状态）和 seal（封闭镂空尾翼的间隙）。    

某SUV车型的后镂空尾翼

首先是 CFD 外流场模型的搭建。研究人员用 HyperMesh CFD 软件导入车身 STL 数据，接着设置虚拟风洞参数：

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

•       远场格子尺寸 256mm，车头和车尾 8mm，玻璃表面贴体加密到 1mm。

•       来流风速设定为 120km/h，车轮静止。

•       采用 Smagrorinsky LES 大涡模拟方法。

由于车身造型对称，所以采用半模型计算，总格子数达到 1.2 亿。用 4 张英伟达 A100 计算，耗时 4.5 小时。    

CFD外流场模型

HyperMesh CFD虚拟风洞加密设置

其次，使用SEA统计能量法模型操作如下：

► 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

下面对仿真结果进行分析和展示：

 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。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。    

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

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500Hz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。

舱内噪声分析

·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）

通过这次仿真计算可知，汽车外流场整体差异虽不明显，但处理 CFD 瞬态压力脉动结果后，风噪区别就很明显了。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。在实际汽车工程设计中，咱们可以调整尾翼造型来引导气流，避免气流冲击后挡风玻璃。这样既能保留镂空尾翼的酷炫造型，又能降低流动噪声源的强度。而且，CFD 和 NVH 的设计迭代过程能通过批处理模式自动输出报告，大大提高了设计效率！ 此时此刻，我想说Altair CFD牛叉！！！

要是未来汽车尾翼能像变形金刚一样，在追求颜值时开启镂空模式，跑高速时自动闭合 “静音模式”，那该多棒！你更看重汽车尾翼的 “颜值担当” 属性，还是 “静音管家” 功能呢？欢迎在评论区分享你的看法，说不定下一个汽车设计灵感就来自你哦！             

资料来源：Altair官方软件仿真案例资料Altair CFD