汽车流固声耦合车内车外噪声仿真

汽车噪音既是影响驾驶及乘坐舒适度的重要因素，也是汽车质量问题的一个切入点。当前汽车噪音主要包括发动机、传动系统、行驶过程与空气和路面接触、车身振动这四个方面，其产生来源主要与汽车设计、原材料选择以及装配工艺、驾驶习惯等相关。伴随着消费者需求的日渐严苛以及汽车竞争的日趋激烈，需要强化汽车噪音控制，通过优化设计、注重生产控制以及针对不同类别的噪音采取针对性管控等一系列措施的实施，以此实现汽车噪音的有效控制。

根据我们国家有关制度规定，汽车噪音属于环境污染范畴，其对周围环境能够产生一定的危害，会对人们的听力以及心情产生一定程度上不利影响，因此加强汽车噪音管控，减少噪音危害不仅具有环境保护价值而且还具有一定社会意义。

汽车中车身的噪声，包括车辆行驶时发动机、底盘灯与路面产生的机械共振声以及空气经过车身或是车身外面突起物而产生的涡流噪声。

流固耦合仿真

流体结构相互作用 (FSI) 是指一种耦合的表面问题。从流体传递到固体的信息是流体压力和拉力，它由流体压力和壁面剪切应力组成的。此传递发生在耦合壁面边界（流体-结构交界面）上；从固体传递到流体的信息是固体的变形，尤其是流体-结构交界面的变形。双向耦合 FSI 是指从流体到固体和从固体到流体的双向交换数据，即流体拉力使得固体产生变形，而固体变形又使流体的流道发生变化，双向耦合要求并行求解策略。

气动声学仿真

气动声学是多物理场建模和模拟的一个分支，涉及由流体流动引发的噪声源和随后所产生的声波传播，声音产生的主要机制可归类为：

涡流脱落噪声

从流体中的钝体释放的涡旋，因涡流脱落引起的体上的时间变化循环会在体本身上产生波动力，该波动力将传递到流体并作为声音传播。

湍流结构相互作用噪声

碰撞在固体表面上的涡旋结构产生局部压力波动。

尾缘噪声

因边界层不稳定性与表面边的相互作用产生噪声，例如旋转叶片上的流动产生的噪声。

1.宽带噪声源模型

在近场噪声预测中，宽带噪声源模型用于计算主要噪声源的位置和强度。在频率域中，宽带噪声具有连续的频谱，其中，声能在给定范围内的所有频率处连续分布。噪声源包含偶极源的表面分布（Curle模型）和四极源的体积分布（Proudman模型）。

2.Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）气动声学模型

FW-H气动声学模型是基于积分公式预测远场声学，该模型可计算远场声信号，这些信号由CFD求解得出的近场流场数据扩展得到，目的是预测每个接收器位置处的小振幅声压波动。FW-H声学模型只用于预测自由空间中的声音传播，不包括声音反射、折射或材料改性等效果。FW-H模型是将连续性方程和动量方程精确地重新整理为不均匀波方程形式，即使在积分表面位于非线性流体区域中的情况下，FW-H方程的结果同样精确，其根据自由空间格林函数来计算接受器位置处的声压。

3.直接噪声模拟

直接噪声模拟需要求解整个流场以进行全面的非稳态模拟，要计算空气动力生成的声学特性，需要记录点（探头）或表面上随时间变化的静压。直接噪声模拟需要高数字分辨率来捕捉声压扰动的空间和瞬态效应，在后处理中，可使用傅里叶变换 (FT)进行光谱分析。直接噪声模拟可以直接在CFD模型中预测靠近声音产生源的噪声级；但是，使用直接模拟来预测距离声源有一段距离的噪声成本高昂，此时建议使用FW-H气动声学模型。

本教程采用流固声耦合仿真的方法，对汽车车内和车外的噪声进行计算，汽车模型如图。汽车高速行驶，空气流过车身在车外产生涡流，进而产生压力波动，生成噪声；同时汽车在外气动力的作用下，车身产生振动，该振动向车内传递，带动车内气体振动，车内气体产生压力波动，进而在车内生成噪声。在进行汽车流固声耦合计算时，车外的噪声计算采用FW-H远场声学模型，车内的噪声采用大涡模型进行计算。

课程安排

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本教程采用的汽车几何模型做了大量简化，在计算流固耦合时，只计算车身壳体的耦合振动，未包含其他汽车零部件；在车内，未设置任何隔音及吸音结构，而实际声音向车内传播要考虑介质吸收，如车门，玻璃等对不同频率的声音吸收效果不同，这里车内噪声的计算只考虑了车身振动产生的噪音。

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结果分析

对计算得到的结果进行傅里叶变换得到声压与频率的关系。

声压与频率的关系如图

声压与频率.png

声压波动如图

车外压力波动.jpg

车内压力波动.jpg

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流体基础