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基于PowerFLOW的天窗风振分析

蒋敏1，鲁建立1，李存1，毛研伟2，谢伟亮2，李博2

1长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院2达索析统（上海）信息技术有限公司

摘要:当车辆在某一特定速度区间行驶时，天窗开启会产生显著的风振现象，风振是典型的乘员舱的声腔共振，会产生明显的低频的声压级峰值，严重影响乘客的舒适性。本文利用PowerFLOW软件针对长安汽车某车型进行天窗风振的模拟和分析，首先研究了在推荐的乘

员舱质量因子下，天窗风振的峰值声压级和峰值频率随车速的扫略曲线，并通过详细的流

场分析研究了风振产生的激励和过程；其次，本文还研究了不同的乘员舱质量因子对峰值声压级和峰值频率的影响。

关键词:PowerFLOW，天窗风振，阻尼损耗

1.简介

为了改善乘员舱的舒适性，整车OEM尽力的降低整车行驶的噪声。伴随着胎噪和发动

机噪声的显著降低，气动噪声的影响越来越显著。JDPower的调查显示，目前风噪已经成

为汽车客户抱怨的最主要方面。由于单独打开天窗或者侧窗引起的风振现象则是风噪领域最主要的两个方面之一。

风振是一个典型的乘员舱亥姆霍兹共振现象，它是由于高速流体流过天窗或侧窗的开

口前缘产生周期性的脱落涡，进而和开口的尾缘相互作用产生声辐射，乘员舱在声辐射的

作用下会产生一定频带的声响应，在特定的速度工况下，声响应的频率和开口前缘的涡脱落的频率一致，乘员舱的声响应会进一步的激发前缘的涡脱落并向其中注入更强的声能量，

携带更多声能量的脱落涡会进一步的和开口尾缘相互作用产生声辐射，这就形成了一个锁

定的自激振荡。

通常研究风振的主要方法包括理论分析、数值模拟以及实验测试。其中理论分析主要是基于Rossiter半经验公式，但该方法比较适用于简单的空腔模型，无法计算复杂的天窗及

乘员舱结构以及阻尼损耗的影响。实验测试的优点是直观且可信度高，但是由于泄露和乘

员舱内饰对声压的阻尼损耗会显著降低风振的水平，所以风振实验只有在整车开发的后期才有意义，因为该阶段，物理样车的密封及内饰达到量产车水平，然而该阶段整车的设计和改动空间较小，一旦发现风振问题，影响产品开发进度。数值模拟能够很好的平衡理论

分析和实验测试的局限性，在整车开发的早期对整车的风振问题进行详细的评估，因此近

十年来，国内外众多学者使用数值模拟对整车风振进行仿真分析。

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针对天窗风振问题，有些学者采用了基于非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方程的数值方法，能够预测到谐频压力脉动部分，但无法准确预测宽频部分；使用分离涡仿真（DES）方法或大涡模拟（LES）技术能够更好的预测谐频以及宽频部分，但较高计算精度条件下的计算量较大。

本文利用基于格子玻尔兹曼方法（LBM）的PowerFLOW软件对长安汽车某车型进行

天窗风振的模拟和分析，首先研究了在推荐的乘员舱质量因子下，天窗风振的峰值声压级

和峰值频率随车速的扫略曲线，并通过详细的流场分析研究了风振产生的激励和过程；其次，本文还研究了不同的乘员舱质量因子对峰值声压级和峰值频率的影响。

2.计算方法

PowerFLOW基于格子玻尔兹曼方法（LBM），其湍流模型为超大涡模型（VLES），

该方法已在航空和汽车行业得到广泛应用。LBM方法是对粒子速度分布函数在时域内的显

性求解，为典型的拉格朗日方法，同时其压力项也是通过粒子的速度分布函数显式求解的。所以PowerFLOW是天然瞬态可压缩的CFD求解器，同时其数值耗散极小，非常适用于求解湍流和声波的相互作用。

2.1格子玻尔兹曼方法

LBM方程的形式如下：

??(?+????,?+??)=??(?,?)+??(?,?)

其中，??表示i方向的粒子分布函数。????和??分别表示空间和时间的递进。为了便于

说明，在接下来的说明中将??取为1。上式中右侧的??(?,?)为碰撞项，把其写为最常用的

BGK的形式表示为：

1

?

??(?,?)=?

??(?,?)]

[??(?,?)???

其中，?为松弛因子，与粘性的关系为?0=(??1?2)?，其中?为格子温度；??

??为当地

的平衡态分布函数，依赖于当地的流体动力学属性。流场中的基本参数，如密度、速度和

内能，可以通过速度分布函数的求和进行计算：

ρ(?,?)=∑??(?,?)

?

ρu(?,?)=∑????(?,?)

?

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ρ?(?,?)=∑|?????|2??(?,?)

?

图1典型的D3Q19模型示意图

当地平衡态分布函数?

??的选取对计