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《整车风噪开发解析》—— 格子玻尔兹曼法在整车风噪开发中的应用

7月前浏览14270

本文摘要：（由ai生成）

格子玻尔兹曼法（LBM）是一种基于微观动力学的计算流体力学方法，通过求解离散玻尔兹曼方程模拟流体流动，具有高效、精确、适合风噪计算的特点。PowerFLOW是应用LBM的代表性软件，结合声学软件可用于整车风噪分析。文章介绍了PowerFLOW的技术路线、声学模块和应用方向，并通过案例展示了其在实际中的应用效果。懿朵科技提供全面的整车风噪开发解决方案，包括指标定义、仿真分析优化、测试整改等环节。

格子玻尔兹曼法简介

格子玻尔兹曼法（lattice Boltzmann method，简写为LBM），是一种用于流体流动模拟的计算流体力学方法，通过求解离散玻尔兹曼方程，采用碰撞模型来模拟牛顿型流体流动。

与传统计算流体力学不同，格子玻尔兹曼法从微观动力学角度出发, 把流体的宏观运动作大量流体分子微观运动的统计平均结果，借助人工微观模型模拟真实的流体系统。在该力法中, 流体被抽象为有限个微观粒子, 这些粒子根据某些简单的方法在规则的离散格子上碰撞和迁移。

玻尔兹曼方程是描述非平衡状态下粒子速度变化的分布函数：

上式中右侧项为碰撞项，同样满足必要的质量守恒、动量守恒和能量守恒，即

质量守恒：

动量守恒：

能量守恒：

LBM求解器的特点与优势

下面是LBM具有代表性求解器PowerFLOW软件原厂给出的LBM求解器的特点与优势：

比 N-S方程更基础

更贴近流体运动的本质
适用于更多的物理现象
N-S方程是玻尔兹曼方程的一种低阶近似

高精度瞬态求解
计算全细节的几何模型
稳定性好
并行效率高
VLES 湍流模型

直接瞬态求解大尺度湍流
高精度

结合笔者的理解， LBM从微观动力学角度出发, 把流体的宏观运动作大景流体分子微观运动的统计平均结果，NS方程是基于连续性假设得到的，这两种方法均通过满足三大守恒定律来建立物理模型。LBM为代数方程，而NS方程为非线性微分方程。在三维正方形网格单元上求解时，LBM可处理成19个方向上的代数守恒即可保证计算精度，如图1所示。而NS方程需要将方程进行高阶展开（一般为二阶以上），产生高阶截断误差，同时保留二阶项后，在6个方向上的保持守恒。

正是由于这两种方法的差异，使得LBM在风噪计算上有2个优势：（1）代数方程求解高效；（2）无截断误差。求解高效可保证LBM求解器用于更多的网格量、更贴合几何特征的网格模型的求解。无截断误差可避免高阶信号的丢失，从而保证了风噪的计算精度。这两个优势契合了风噪计算对流体仿真高精度和高硬件资源消耗的要求。

图1 LBM守恒定律三维图

LBM分析工具介绍

基于LBM的分析工具主要有PowerFLOW，Xflow，ultrafluidX等，其中PowerFLOW结合其声学软件Poweracoustics是目前整车风噪上最为成熟的LBM分析工具，其高精度、高效率得到业界广泛认同。

PowerFLOW在整车风噪上的应用

4.1 技术路线

PowerFLOW是目前在整车风噪上应用最为广泛的LBM工具，其技术路线如下图。

（1）通过PowerFLOW进行流体可压瞬态计算，得到车窗表面的瞬态表面压力；

（2）在PowerACOUSTICS中进行波数分解得到湍流压和声压两部分载荷，这两部分载荷分别传入到乘员舱内得到过舱内噪声。

图2 PowerFLOW和PowerACOUSTICS技术路线

4.2 声学模块介绍

（1）信号处理模块 (SPM) 用于在频域和时域中分析PowerFLOW的声压信号，并生成音频文件以便于通过听觉直接评估噪声水平；

（2）噪声传播模块 (NTM) 可用于评估轿车、卡车及工程机械的内部风噪声水平，包括通过驾驶室和底盘的面板及密封部件传入的噪声；

（3）远场噪声模块 (FFN) 用于评估高速列车、飞机及重型机械设备在移动或停车状态时产生的环境噪音；

（4）流动噪声识别模块 (FIND) 够简单直观的指出任何几何结构的流动噪声问题根源并定量的评估噪声辐射声功率。

4.3 应用方向

噪声传播——通过驾驶室和底盘面板及密封结构传入驾驶室内的风噪声预测
驾驶舱内部风噪声水平评估
设计参数及声学包属性研究
信号处理——完整的时域和傅里叶空间信号处理
结果展示——生成真实场景渲染的可视化三维图片和动画

PowerFLOW在整车风噪上的应用案例

5.1 计算模型

计算模型与虚拟风洞模型如图3和图4：

图3 计算模型与加密区

图4 虚拟风洞模型

图5为原车dB着色车外流场涡心图，从图中可知声源的位置和强度，主要声源包括后视镜尾涡、落水槽尾涡、雨刮尾涡和A柱脱落涡；

图6为这些声源在侧窗和前风挡上dB云图，侧窗湍流载荷源于后视镜三角台阶尾涡、后视镜支架尾涡和A柱尾涡（图6a）。侧窗辐射声波载荷源于后视镜三角台阶尾涡、后视镜支架尾涡(图6b)。雨刮和落水槽引起的湍流压力脉动作用在前风挡上（图6c），落水槽尾涡撞击在A柱上，在前风挡上产生辐射声波（图6d）；

图7为驾驶员头部区域SPL曲线。

图5 原车dB着色车外流场涡心图

图6. 侧窗和前风挡玻璃dB云图

图7 驾驶员头部区域SPL曲线

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本文摘要：（由ai生成）本文探讨了非稳态不可压CFD+Actran方法在整车风噪仿真中的应用，重点介绍了车内声学模型的建立和内声场计算。模型需考虑座椅、玻璃、内饰等材料。通过加载噪声载荷，可计算车内噪声。实际案例涉及多个汽车品牌。提高计算准确性的关键在于理解载荷特性、准确提取载荷及车内材料属性。懿朵科技为整车风噪开发提供全面解决方案，涵盖仿真、优化、测试等环节。上篇文章《有限元法风噪仿真关键技术解密》（1）中主要讲解：非稳态不可压CFD+Actran详细流程、非定常流场计算及噪声源输出、外声场模型建立与车外载荷提取；本章将对车内声学模型建立、内声场计算以及实际应用案例来介绍。01车内声学模型建立车内声学模型建立需保留座椅、顶棚、地板、仪表盘等，便于后续设置相关材料边界，同时参考具体风洞试验车内噪声测试方法；考虑乘员舱是否添加假人或人工头模型，车内声学模型建立重点关注车窗玻璃及内饰声学材料的处理。类似前风挡夹层玻璃的建模方法：1、建立夹层实体模型，按实体材料厚度划分实体网格，Actran中设置约束方式和输入杨氏模量、泊松比、密度和阻尼材料属性，阻尼定义通过在杨氏模量的输入中添加虚部值，虚部值=杨氏模量*阻尼系数。2、夹层玻璃实体模型简化为壳单元模型，Actran中复合材料组件，依次设置材料厚度和属性，同样考虑多层结构。图1 夹层玻璃建模方法内饰吸声材料的考虑方式：1、建立内饰声学材料实体模型，Actran中多孔声学材料模型，输入密度、模量、流阻、泊松比和空隙率等多个参数，一般供应商很难提供如此详细材料属性。2、地毯、顶棚等内饰的吸声系数转换为导纳边界，Actran中导纳边界条件加载在相应的边界上；导纳边界加载在吸声材料表面，不需要建立实体模型，一般供应商均能提供声学材料的吸声系数曲线。 c为声速，ρ为密度，α为吸声系数，Z为声阻抗，A为声导纳。3、实测的车内混响时间转化为车内的空气阻尼来考虑声学包对车内噪声传播的整体影响，声速值上加一个虚部来设置空气阻尼值，而虚部值=声速*虚部系数，通过混响时间计算的声速虚部系数为： f为频率，T60为实测的混响时间值。该方法可以充分考虑车内所有声学材料的影响，且设置简单是较为常用的方法。图2 内饰模型与系数系数02内声场计算车内风噪声计算将AWPF和TWPF的噪声载荷加载在车内乘员舱声学模型的车窗玻璃上，考虑玻璃的结构材料属性、约束条件及车内声学包吸声性能同时计算车内人耳处的噪声幅值。Actran中进行车内噪声计算，需注意车窗玻璃、内饰材料介质属性和阻尼的定义，同时车窗玻璃四周需要提取线单元进行三个方向的运动约束。AWPF和TWPF可利用Actran中载荷工况loadcase的功能评估每一块玻璃不同载荷对人耳监测点处噪声的贡献量。图3 车内声学模型与玻璃约束03应用案例图4 现代HSM模型图5 标致雪铁龙图6 德国大众图7 北汽新能源图8 长安新能源04总结非稳态不可压CFD+Actran混合方法风噪仿真，整个分析流程较为简单，理解和掌握TWPF和AWPF两种载荷及特性差异是基础，准确提取AWPF和TWPF是关键，车内材料属性和阻尼的正确赋予是计算准确性的重要保证。注：本文观点与结论为本人学习与工作的一些经验总结，衷心欢迎各位同行批评指正共同进步。懿朵科技为客户提供国际领先水平整车风噪开发解决方案：（指标定义，仿真分析与优化，测试与整改）如需了解专题其他文章，点击以下链接查看：【整车风噪开发解析】——SNGR在整车风噪开发中的高效应用【整车风噪开发解析】——有限元法风噪仿真关键技术解密（1）敬请期待：《有限元法风噪仿真关键技术解密（3）》《LBM在整车风噪开发中的应用》来源：懿朵科技