聊聊汽车CFD工程师的日常4(整车风噪与整车水管理)

聊聊汽车CFD工程师的日常4(整车风噪与整车水管理)

前三期分别分享了汽车CFD工程师在空气动力学整车热管理乘员舱舒适性三个大方向的日常工作。这些其实已经包括了汽车CFD工程师的主要工作内容。关于最后一块风噪以及水管理,事实上是两个完全不同的方向,但是企业中CFD这两块的应用并没有特别成熟,同时也存在仿真精度不足、仿真时间过长、仿真软件太贵、以及研发过程中不重视等问题影响CFD在这些性能开发中发挥作用,所以本文将这两大块合到一起。实际中这两大块的开发还是以试验为主。对于这两块的仿真,作者本身也没有太多经验,为了“聊聊汽车CFD工程师的日常”系列的完整性,我也厚着脸皮对这两大块进行一些简单的介绍,谈谈我的理解,欢迎专业人士指正。

整车风噪

CFD在整车风噪中的仿真主要包括外气动风噪空调风噪

外气动风噪和空调风噪

外气动风噪是指汽车行驶中外流场与车身表面发生作用形成的噪声。当车辆高速行驶时,一方面车辆与周围的空气流场产生剧烈的相互作用,流场就在车辆表面形成一个边界层,同时产生强大的分离流、涡流和湍流。流动中的涡流和湍流相互作用,产生强大的脉动压力,脉动压力激励车身壁板,在车内产生辐射噪声。这是诱发车辆气动噪声的主要原因;另一方面,空气流通过车身密封条传递噪声,或者气流通过顶窗和侧窗与乘坐室空腔产生噪声[1]。而空调风噪是空调系统在运行过程中,鼓风机送风后气流与风道相互作用产生的噪声。新能源电动车由于没有了发动机作为背景噪声,空调噪声成为了车内主要的噪声来源,因此对电动车来说控制空调风噪对NVH性能显得尤为重要。

在CFD仿真方面,外气动风噪仿真和空调风噪仿真在机理上还存在一些差异,外气动风噪外流场和乘员舱声场传播是分开的,而空调风噪流场和声场是混在一起传播的。仿真方法上,作者所了解的主要有两种,第一种通过传统的CFD软件如STARCCM+Fluent计算瞬态的不可压缩流动模型,提取固体表面的湍流载荷,然后通过声学软件如Actran计算声波载荷以及声场的传播,这种方法可以计算车身表面噪声分布,不同部位声源贡献等。由于涉及到瞬态可压缩模型的计算,传统的CFD软件计算非常慢,这时候第二种方法采用格子玻尔兹曼(LBM)方法的Powerflow就非常有优势,Powerflow能快速求解瞬态流场,而且可以通过独有的find工具输出空间声功率分布,寻找噪声源。Powerflow缺点就是贵。在仿真精度上,风噪仿真和实际还存在较大的差距。

噪声分布

实际开发过程中,风噪仿真的应用并没有特别广泛。外气动风噪方面,应用最多的是后视镜优化,另外也包括雨刮,A柱,角窗三角块,以及一些密封条等附件的优化。考虑到风噪开发需要满足造型,平衡风阻、满足工程TI限制等,能做的优化空间并不是很大。而在空调风噪方面,主要还是优化风道结构,降低风道和出风口的噪声。

整车水管理

CFD在整车水管理中的仿真主要包括整车涉水A柱溢流淋雨分析以及车身污染这几大块。

整车涉水分析主要研究汽车以一定速度驶过一定深度的水坑后,是否存在发动机进气口进水、电气短路、防火墙渗水等风险。随着汽车电气化的发展,越来越多的电气元件包括电池包等布置于车身底盘,整车涉水过程如果出现短路问题,不但影响车辆行驶,还有可能危及驾乘人员的安全。

整车涉水分析

A柱溢流主要研究雨水在前风挡形成液膜后,通过A柱溢流至测窗对侧窗视野的影响。

A柱溢流分析

淋雨分析分析主要关注汽车淋雨后排水槽排水能力是否足够,是否存在淹没空调进气口或雨水被抽吸入空调进气口的风险,另外还关注雨刮电机等敏感电器件是否存在浸泡风险。

淋雨分析

车身污染主要关注车轮飞溅导致的车身表面尘土积累,以及汽车尾涡导致的后窗污染等。

由于水管理涉及到多相流以及瞬态分析,传统的CFD软件在分析的时候普遍存在计算时间非常慢的情况。采用STARCCM+进行一轮整车涉水分析,在HPC上计算,可能也需要花费一到两周的时间。而采用LBM方法的Powerflow以及SPH方法Preonlab在计算时间上有非常大的优势,能够将仿真时间缩短到一天左右。知乎上的@ shonDy粒子法流体仿真应该也可以进行整车多相流的分析,不过不知道他们目前有没有具体在整车中的应用实例。

实际开发过程中,整车水管理的仿真应用也一定程度参与到了具体项目中,比如在造型前期就可以进行A柱溢流分析,对造型开发提出一些要求。整车数据发布后可以进行整车涉水分析,校核涉水风险,对整车布置提出一些要求。淋雨分析也可以对导水槽的设置提供一些指导意见。

关于整车风噪以及整车水管理的CFD仿真,应该说在企业研发中还算比较新兴的领域,仿真方法、仿真精度等大都还处理能力建设的范畴,在具体车型开发中的应用也还处在起步阶段,如果专门从事这方面的仿真工作可能会需要探索一些方法,一些仿真手段,需要调研一些文献资料,与空气动力学、整车热管理和乘员舱舒适性分析这些成熟的分析项相比,工程性相对较弱,研究性会相对强一些。是否要从事这些方面的工作,小伙们可以结合自身实际情况做选择。

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花了一个月的时间,完成了“聊聊汽车CFD工程师的日常”系列的文章,基本涵盖了整车CFD工程师的所有工作,包括整车开发过程中的具体工作内容,工作方式,难点痛点等等。后续我会围绕CFD在汽车行业的应用,继续整理CFD在发动机领域,在电池、电机以及燃料电池等领域的最新应用情况,欢迎同行关注、讨论。

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参考文献:

[1] 王志亮等. 汽车风噪声产生机理研究

编辑于 2019-11-22

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