【整车风噪开发解析】——有限元法风噪仿真关键技术解密（1）

Actran进行风噪计算方法主要有三种：1、非稳态不可压CFD+Actran的混合分析方法；2、非稳态可压CFD+Actran的混合分析方法；3、稳态CFD+Actran混合方法（SNGR）。由于非稳态可压CFD+Actran混合方法需要通过波数分解才能得到最终的声压，操作较为复杂，且计算容易发散，较难得到正确的结果，不可压CFD计算往往比可压缩流场计算成本低，鲁棒性好，因此在实际风噪项目实施中非稳态不可压CFD+Actran混合方法和SNGR方法应用较多。SNGR方法在上篇文章中已经作了详细介绍，本文主要介绍非稳态不可压CFD+Actran混合方法在风噪仿真中的应用。

在介绍Actran整车风噪仿真分析方法之前，首先需要知道什么是风噪载荷；车身外部湍流在侧窗区域产生两种形式的声源：湍流壁面脉动压力（TWPF）与声壁面脉动压力（AWPF）。

图1 TWPF产生机理

图2 AWPF产生机理

AWPF与TWPF在波数、能量、传播效率和传播方式等方面有很大的差异，将分别考虑两种噪声源并评估噪声源对人耳处的响应的贡献量。

表1 AWPF与TWPF差异

图3 TWPF（左）与AWPF（右）差异

图4 Honda某车型TWPF（Turbulent   sound）与AWPF（acoustic   sound）对车内噪声贡献量

图5 基于不可压非定常整车风噪声仿真流程

（1）Actran Aero-acoustic提取CFD在侧窗表面的TWPF（湍流壁面脉动压力）；

（2）Actran Aero-acoustic通过Lighthill声类比方法将CFD流场结果转换为湍流声源，计算外场声传播，提取侧窗表面AWPF（声壁面脉动压力）载荷；

（3）将两种载荷分别加载在Actran整车振动声学模型上，计算车内声学响应。车内声学计算模型包括：乘员舱声腔、侧窗玻璃、侧窗密封条、乘员舱内饰（边界）等。

        非定常流场计算单独建立子域，子域是整车外流场网格重点加密区域；同时也是输出非定常噪声源的区域，一般单独将该区域设置一个region便于在非定常计算中输出噪声源数据。该区域的范围一般为：在X/Z轴方向上，覆盖A柱低端到B柱（前侧窗后视镜区域），在Y轴方向上，以后视镜特征长度L为参考尺寸。

图6 声源区子域

需要注意的是：在非稳态流场计算中，声源区CFD网格尺度将直接决定声学结果的频率上限；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，网格尺度与声截止频率的关系式为：

   Fc：声学截止频率，ε：湍动能耗散率，∆：网格尺度

一般CFD网格尺寸减小0.5倍，截止频率扩大约1.5倍。

图7   Volvo-V70车型4mm&2mmCFD网格对应的声学计算结果

非定常流场计算收敛后输出流场中噪声源数据，以Star-ccm为例；输出数据格式选择ensight gold格式，标量输出选择玻璃表面静压计算TWPF载荷，矢量输出选择声源区的速度矢量计算AWPF载荷。对于不可压缩CFD计算，CFD输出数据频率FCFD需要满足：

Fmax为截止频率。

例如：时间步长=2e-5，采样频率为50kHz，最大准确计算频率＝2000Hz，即采样频率＞8000Hz即可。

图8 输出频率与截止频率关系

车外声学模型分为：声源区和声传播区

声源区为在外流场中输出流场噪声源的区域，在有限元声学计算中需要计算车外声学量及传播，因此建立声传播区域用于设置无反射边界。

图9 车外声学模型

声学网格的大小由计算的目标频率决定，需保证最大频率下每个波长下6~8个网格单元。

其中， 为网格尺寸，c为声速，fmax为目标最大计算频率。

CFD计算输出的非定常流场数据为时域数据，且流场网格类型和节点位置与声学网格不同，因此要提取TWPF和AWPF载荷首先需要在Actran中进行ICFD计算。

ICFD计算目的：

1. 将CFD网格上的导出的流场数据插值到声学网格上；

2. 做时域和频域的变换。

由于TWPF载荷即为车窗表面的湍流脉动压力，因此在Actran提取TWPF只需进行ICFD计算即可，即将CFD输出的车窗表面压力脉动映射到声学计算的车窗网格上，然后进行时频域的转换。

图 10 TWPF载荷

由于使用的是不可压CFD计算的整车外流场，提取的声源区流场数据不包含声学量，所以侧窗AWPF载荷的提取需要基于声学波动方程。计算车外噪声源，基于车外提取到的噪声源计算车外的风噪声传播，通过车外声学模型的声传播计算获取车窗表面的声压载荷，即AWPF载荷。

图11 车外噪声源

Actran计算AWPF载荷分为：ICFD计算和声传播计算

ICFD计算设置与TWPF基本类似，主要区别在于计算载荷选择为Lighthill Volume；声传播计算时声源区定义为lighthill体声源边界，声传播区表面定义为无反射边界。

图12 车外声学模型与侧窗awpf载荷