有水路面行车产生的流体动力噪声数值模拟

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随着我国汽车保有量的不断增加,行车噪声的危害越来越明显,已经成为主要的噪声源。在路面有积水的情况下,行车噪声呈现响度更大、频率更高的趋势。我国部分地区处于季风气候区,全年降雨充沛,有水路面上的行车噪声不可忽视。
  有水路面的行车噪声,主要包括振动噪声和流体动力噪声,振动噪声的发声原理与干燥路面一致,本文主要从理论和数值模拟两个角度研究有水路面上行车产生的流体动力噪声,主要研究内容和结论如下:
  1. 有水路面行车产生的流体动力噪声基本理论及计算方法。从流体动力噪声的发声原理出发,明确了水膜和空气共同作用在轮胎表面的脉动压力是引起噪声的偶极子声源。结合车辆在有水路面上行驶的实际边界条件,确立了噪声预测的理论公式,选取了混合计算的噪声方法。
  2. 基于Abaqus CEL的轮胎-路面-水膜流固耦合计算。本文建立了轮胎三维模型并验证受力特性,将轮胎模型应用到轮胎-路面-水膜的流固耦合模型中,得到轮胎在有水路面上滚动的变形模型;以此模型为基础,利用布尔减运算,分别得到后续流场和声场计算的计算域。
  3. 有水路面轮胎外流场及偶极子声源数值计算。基于大涡流模拟的方法,结合特定的流场计算域划分、网格划分、边界设置等条件,计算得到轮胎滑水速度,与经验滑水速度进行对比,验证流场模型的合理性。利用Ffowcs Williams and Hawkings方程,计算并输出轮胎壁面的脉动压力作为声场计算的声源信息。
  4. 有水路面行车流体动力噪声分析。利用快速傅里叶变换,将流场计算得到的、符合采样定律的时域声源信息转化为频域信息,采用声学有限元结合自动匹配层 技术进行声学计算。在流量一定的前提下,声压级曲线在1000Hz左右的中频段之后开始趋于稳定,中高频段进口方向声压级值比出口方向大;声场呈现双指向形分布,具有偶极子特性;声压级大小随着水膜厚度的增大而增大,由于水占整个模型体积分数较小,即使水膜厚度为 10mm 时水的体积分数仅为 1.59%,水膜厚度的增大对声压级的增大没有显著的影响。水膜厚度为10mm时的流体动力噪声声压级值为干燥路面状态下的1.3倍左右;水膜厚度为5mm时的流体动力噪声声压级值为干燥路面状态下的1.2倍左右。本文研究成果将为雨天行车安全预警,提供一条有别于行驶速度、力学响应的声学侦测手段。
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