基于Actran的汽车风噪仿真技术及应用案例

2020-11-29

当汽车行驶速度大于100km/h 时，外部风噪声会传播到车内。目前常用的汽车风噪声研究验证方法为采用CFD与CAA混合的方法,精确描述紊流导致的噪声源：

• 后视镜后部形成的尾迹区域；

• 侧窗和A柱区域形成的湍流区。


图1-1 汽车风噪声形成过程示意图.png

图1-1 汽车风噪声形成过程示意图


本文以FFT（Actran原厂）和volvo合作的汽车风噪声项目为例，介绍两种汽车风噪声计算方法：

  1. 基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解方法；

  2. 基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解方法。



瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解

本项目中采用Volvo-V70车型，研究工况为140km/h ( Mach = 0.114)。

图2-1基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解流程.png

图2-1基于瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解流程


Volvo在本次项目中采用的CFD模拟软件是Fluent,Actran支持与绝大多数CFD软件的数据连通，如Starccm+，SC/Flow,CFX…

在CFD模拟中，瞬态分析中采用LES湍流模型，采用不可压缩空气模型，Δt=2E-5s，保存数据的物理时间为0.03022s到0.29022s。

图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域.png图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域2.png

图2-2 CFD计算边界条件及输出数据区域


图2-3 声学计算区域及监测点.png

图2-3 声学计算区域及监测点


需要注意的是，当CFD的网格尺度过大，数值耗散较大时，CFD的数据就很难反映出高频的声波信息。网格尺度与截止频率的关系式为：

fc公式.png （2-1）

其中F是声学截止频率，Ƹ是湍动能耗散率，Δ是网格尺度。

当CFD模拟中，声源区域的网格平均尺度为4mm时，可以支持到的声学截止频率约1250Hz，如下图所示。


图2-4 湍动能耗散率及截止频率.png

图2-4 湍动能耗散率及截止频率


图2-5 4mm的CFD网格对应的声学计算结果.png

图2-5 4mm的CFD网格对应的声学计算结果


图2-6 2mm的CFD网格对应的声学计算结果.png

图2-6 2mm的CFD网格对应的声学计算结果


小结

  1. 当采用瞬态CFD与Actran Aero-Acoustics联合求解风噪声时，可以得到精确的计算结果，包括计算车外噪声和车厢内噪声；

  2. 此时的瞬态CFD对网格要求比较高，一方面湍流模型的选取直接决定边界层网格尺度；另一方面上文介绍到的截止频率问题，CFD网格尺度直接决定声学结果的频率上限。



基于稳态CFD与Actran SNGR联合求解

SNGR方法的基本原理是：基于RANS计算得到的时均流场的速度、湍流动能分布特性，通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据。利用ACTRAN的声类比方法计算声源和噪声传播。

由于RANS为稳态结果，为了保证可以输出频域的噪声结果，需要添加与时间相关的项（下图中的随机函数），从而合成脉动速度。


图3-1 SNGR方法的基本原理.png

图3-1 SNGR方法的基本原理


SNGR方法的主要特点：

–采用更高效、稳态的CFD数据进行CAA分析

–可快速识别噪声源的位置

–可应用于不同设计/结构之间的相对水平的预测

–中高频段的精确模拟


该项目中采用与上述同款车型、同车速进行模拟。CFD 设置 :

–雷诺时均方法（RANS）

–K-ε 标准湍流模型

–不可压缩

图3-2 CFD计算域及声学计算域.png

图3-2 CFD计算域及声学计算域


声学设置内容包括：

–声源区域来自CFD计算域，声源区域网格重新生成

–声学吸收区域（Buffer region，对应APML）在各方向均为0.05m厚

–自适应的完美匹配层（APML）

–设置4个可以监测Y方向声强的虚拟麦克风

计算时采用的计算机性能：(2x Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2697 v4 @ 2.30GHz 处理器，8核)

Number of CFD Cells (MCells)11.82.5

Computational time per Realization4h3055min

Memory Consumption117GB36GB

表格

由此可知：采用SNGR方法时，CFD网格只有2.5Milloin，所以计算成本很低，且计算结果非常精确；同时在计算噪声时可以选择更为精确的频率分辨率（可以设置为2Hz）。

SNGR对CFD网格的要求是什么样的呢？是不是也有上文中的截止频率问题。我们用2中尺寸的CFD网格来输出数据，并用SNGR方法计算风噪声。分别在声源区域采用2mm和4mm的网格尺寸（声源区平均的网格大小）。

图3-3. 不同CFD网格示意图.png

图3-3. 不同CFD网格示意图


图3-4. 不同CFD网格对应的SNGR声学结果.png

图3-4. 不同CFD网格对应的SNGR声学结果


从上图来看：

  1. 两个结果较为接近。采用SNGR方法预测风噪声时，对CFD网格的尺度反应不灵敏，也就是不需要采用特别密集的网格来进行稳态CFD分析；

  2. 采用SNGR方法时，不需要考虑截止频率的影响；

  3. SNGR计算风噪声仅需CFD稳态流场的收敛和湍动能的准确统计即可。



两种方法的比较

SNGR方法的基本原理是：基于RANS计算得到的时均流场的速度、湍流动能分布特性，通过添加随机扰动的方法重新合成含有时间项的流场数据。利用ACTRAN的声类比方法计算声源和噪声传播。

下面对比SNGR方法和非定常CFD+AERO-Acoustics方法的区别。

项目中CFD的网格均采用4mm的尺寸，SNGR计算结果（SNGR计算结果需等比例缩放）与非定常CFD+AERO-Acoustics结果进行对比。

图4-1. 两种模拟结果与实验测试结果对比.png

图4-1. 两种模拟结果与实验测试结果对比


以上结果可知：

  1. 从图上来看，如果主要声源区网格尺度约4mm，那么采用瞬态CFD方法+Actran联合计算风噪时，可以计算到1250Hz左右，同样2mm的声源区网格可以支持到2000Hz。因此，如果获得较为精确的风噪结果，可以采用瞬态CFD + Actran Aero-Acoustics的方法。

  2. SNGR方法在低频有些信息缺失，无法精确捕捉低频结果；但SNGR可以很好的预测400Hz~3000Hz频段汽车风噪声大小；因此，由于SNGR对CFD的要求较低，中高频利用Actran SNGR可以快速、高效且准确的预估风噪声大小。

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