不同RANS／LES混合模型的汽车气动噪声分析.pdf

2 0 1 5年 第 3 7卷 第 4期 汽车工程 A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 4 2 01 5 0 7 7 不同 R A N S ／ L E S混合模型的汽车气动噪声分析 术 谢超 ， 谷正气 ， 杨振 东 ， 宗轶琦 ， 杨晓涛 ， 罗泽敏 1 ．湖南大学， 汽车车身先进设计制造国家重点实验 室， 长沙4 1 0 0 8 2 ； 2 ．湖南工业大学， 株洲4 1 2 0 0 7 [ 摘要] 采用 F l u e n t U D F构造 R e a l i z a b l e k - 6 ／ L E S 、 S S T k - ／ L E S和S p a l a r t A l l ma r a s ／ L E S 3种 R A N S ／ L E S 昆 合模 型， 并对汽车的气动噪声进行数值模拟。在近壁面采用 R A N S 湍流模型求解 ， 而远离物面的分离区域内的大尺度运 动则用 L E S求解， 将 3种混合模型的计算结果与全 L E S 湍流模型和风洞试验结果进行了比较。结果表明， 3种} 昆 合 模型对气动噪声的计算精度高于 L E S湍流模型；R e a l i z a b l e k - 6 ／ L E S 和 S S T k - 8 ／ L E S混合模型数值模拟结果与试验 值的相对误差均小于5 ％ ， 而其中R e a l i z a b l e k - e ／ L E S混合模型更为准确和高效， 消耗的计算资源更少。 关键词 RA N S ／ L E S混合模型 ； 气动噪声 ； 数值计算 An a l y s i s o n Ve h i c l e Ae r o d y n a mi c No i s e wi t h Di f f e r e n t Hy b r i d RANS ／LES Mo d e l s Xi e Cha o ，Gu Zhe ng q i ，Yan g Zhe nd on g ，Zo ng Yi qi ，Ya n g Xi ao t a o Luo Ze m i n 1 ． Hu n a n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e d D e s n a n d Ma n u f a c t u r i n g f o r V e h i c l e B o ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ； 2 ． Hu n a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7 l Ab s t r a c t l R e al i z a b l e k L E s ，s s T k 一 L E S a n d S p a l a r t ． A l l m a r a s ／ L E S t h r e e d i f f e r e n t h y b ri d R A N s ／ L E s mo d e l s a r e c o n s t r u c t e d b y u s i n g F l u e n t UDF t o c o n d uc t a n u me ric al s i mu l a t i o n o n t h e a e r o d 5 n a mi c n o i s e o f v e h i c l e ．T h e flo w fi e l d i n n e ar- wa l l are a i s s o l v e d b y u s i n g RA NS t u r b u l e n c e mo d e 1 ．wh i l e t h e l arg e s c a l e mo t i o n o f s e p a r a t i o n r e g i o n a wa y f r o m wall i S s o l v e d b y L ES mo d e 1 ．1 1 1 e n t h e c a l c ula t i o n r e s u X t s o f t h r e e h y b rid mo d e l s are c o mp are d wi t h t h a t o f f u 1 1 L ES t u r b u l e n c e mo d e l a nd wi n d t u n n e l t e s t ．Th e r e s ult s s h o w t h a t t h e a e r o d 3 n a mi c n o i s e c a l c ula t i o n a c c ura c i e s o f t h r e e h y b ri d mo d e l s are h i g h e r t h an t h a t o f L E S t u r b ule n c e m o d e 1 ．Th e r e l a t i v e e r r o r s o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n w i t h R e a l i z a b l e ／ L ES a n d S s T／ I J E S h y b rid mo d e l s r e l a t i v e t o t e s t d a t a a r e b o t h l e s s t h an 5 ％ ．i 11 wh i c h Re a l i z a b l e k 一 L ES h y b rid mo d e l i S e v e n mo r e a c c u r a t e an d e f f i c i e n t a n d c o n s u me l e s s c o mp u t i n g r e s o u r c e s ． Ke y wo r dsh y br i d RANS ／LES mod e l ；ae r o d yn a m i c no i s e； n u m e r i c a l c a l c ul a t i o n 日 IJ吾 汽车噪声与行驶 速度有关 。在低速时， 发动机 是主要噪声源 ； 在中速时， 轮胎与路面的摩擦是主要 噪声源 ； 而在高速时， 气动噪声是主要噪声源 J 。研 究表明 』 ， 车速超过 1 0 0 k m ／ h 后， 气动噪声的影响 就 已超过了其它噪声 ， 而 目前高速公路上 的车速大 多超过了 l O O k m ／ h 。 C F D计算气动 噪声 时对 湍流的数值模拟方法 大致可分为 3类 直 接数值模拟 D N S 、 大 涡模 拟 L E S 和雷诺平 均法 R A N S 。在 工程实 际 中， D N S方法计算量太大 ， 普通计算机难以运算。因此 ， 目前 汽 车 气 动 噪 声 的数 值 模 拟 大 多 采 用 L E S 法 。L E S法是介于 D N S法与 R A N S法之间的一 种湍流数值模拟法 J ， 其主要思想是 流场中大尺度 涡使用直接数值求解 ， 而对小尺度湍流脉动建立模 型。其优点是 对空 间分辨率的要求远小于直接数 国家 自然科学基金 5 0 9 7 5 0 8 3 、 湖 南省科 技攻 关计划 重 点项 目 2 0 0 9 J T 1 0 1 4 、 教 育部 长 江学者 与创 新 团队发 展计 划 5 3 1 1 0 5 0 5 0 0 3 7 和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题 6 1 0 7 5 0 0 1 资助。 原稿收到日期为2 0 1 3年 8月 1 6日， 修改稿收到日期为2 0 1 3年 1 2月 2日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 谢超， 等 不同 R A N S ／ L E S混合模型的汽车气动噪声分析 4 4 1 值模拟方法 ； 在现有的计算机条件下 ， 可 以模 拟较高 雷诺数和较复杂的湍流运动而获得 比 R A N S模式更 多的湍流信息。但是 ，L E S法在近壁 面不能完全分 辨出高 R e y n o l d s 边界层的近壁流动结构 ， 所描述边 界层的增长和分离不准确。R A N S法在计算 附体 和 小分离流动时可获得令人满意的结果 ， 但在计算汽 车外流场 中大 曲面 的边界层流动 、 车身尾部 临界点 附近的流动 ， 特别是带有强烈漩涡和分离 的流动方 面， 计算结果太粗糙而不尽人意。 为克服 R A N S模拟分离流动 的不足 ， 同时有效 提高 L E S 方法模拟边界层流动的计算效率， 出现了 R A N S ／ L E S混合方 法。其基 本思想 是 用 R AN S湍 流模式计算小尺度运动所控制 的近壁面流动 区域 ， 用 L E S法模拟远场区域的非定 常分离流动 ， 并将它 们有机地结合起来 。目前 ， 混合模型 的运 用大多是 对流场 的研究 ， 对于更为复杂的气动现象研究 的很少 。本文 中分 别采 用 R e ali z a b l e k - 6 ／ L E S 、 S S T k ． ／ L E S 、 S p a l a r t ． A l l m a r a s ／ L E S 3种 不 同 的 R A N S ／ L E S混合模 型对 汽车气动噪声进行数值模拟 ， 并将 计算结果与全 L E S湍流模 型和风洞试验进行 比较 ， 从而确定计算精度最高的混合模型。 1 R A N S ／ L E S混合模型的构造 混合 模 型选 择 的关 键 取决 于 R A N S模 型_ l 。 F l u e n t 中常用 的 R A N S湍流模 型有 S p a l a r t A l l m a r a s 模型 、 3种 一 模型 标准 k - e 、 R N G 一 和 R e a l i z a b l e k - 8 和 2种 ． 8模型 标准 k - s和 S S T k - 6 。R e a l i z ． a b l e k - e模型满足对雷诺应力 的约束条件 ， 因此可以 在雷诺应力上保持与真实湍流的一致 ， 这一点标准 k - 6模型和 R N G k - s模型都无 法做到。R e a l i z a b l e k s模型在分离流计算 和带二次流的复杂流动计算 中 的研究标明 R e a l i z a b l e k - e模型是所有 一 模型 中表 现最出色的湍 流模型。文献 [ 1 2 ] 中采用 3种 ． 模 型对轿车外流场进行 C F D仿真 ， 得出 R e a l i z abl e ． 湍流模型具有较好的收敛性和精确性的结论。S S T k 一 模型合并 了来源于 0 J 方程中的交叉扩散， 湍流黏度 考虑到了湍流剪应力 的传播 ， 模型常量不 同， 这些改 进使得S S T k - t o 模型比标准k - t o 模型在广泛的流动领 域中有更 高的精度和可信度 。因此本 文 中选取 R e a l i z abl e 一 e ／ L E S 、 S S T k - w ／ L E S和 S p al a r t A l l m a r a s ／ L E S 3种 R A N S ／ L E S混合模型进行数值计算。 1 ． 1 S p a l a r t - Al l ma r a s ／ L E S模型 文献 [ 1 3 ] 中在对机翼的外部流场进行计算时 ， 在 近壁区采用一方程的 S p ala r t - A l l m a r a s 湍流模型 以下 简称 s A模型 对 R A N S区进行计算 ， 而在湍流核心 区才采用 L E S进行计算。其湍流黏度的输送方程为 詈 考 - cw ㈡ 一 wL，w l J 毒 [ 薏 ] C b2 0 ／,／ 0 ／． 1 式中 、 分别为流体速度 、 流体的时均速及松 弛函数 ； ／- I 为修改后 的湍流黏度 ； 表示相应地坐标 轴； c 、 C 、 C 。 及 为互相区别的常数项。 dmi n d ， C D E S △ 2 式 中 △ ma x A x ， A y ， A z ； d为新的长度尺度 ； d为 距离壁面最近 的距离 ， 为 S A模型在 R A N S区所采 用的长度尺度； C 。 为常数； △为最大的网格单元体 积； C 。 △代表了网格长度尺度。当dC 。 s △时， 新 的长度尺度 d就等于 R A N S长度 尺度 d ， 并且运输 方程和 S A模型具有相同的形式 ； 反之 ， 运输方程就 变成 了基于 当地 网格尺寸的类似 S ma g o r i s k的亚格 子湍流黏度 。 1 ． 2 R e a l i z a b l e k E ／ L E S模型 R e a l i z a b l e k - e ／ L E S模 型是 由 R e a l i z a b l e 一 模 型修改得到 ， R e ali z a b l e k - e的方程为 杀 毒 毒 [ 丝O k1／ 鸶 ] 3 G GbJ 9 一 】 ， M S 去 cp 毒 cp 毒 [ 考 ] p c l5 p C 2 忐 C 1,k 詈 √ “ 4 其中 c ⋯ 0 ． 4 3 ， ] ，叼 s ， S 式 中 P 、 k 、 分别为流体密度 、 湍动能和湍流耗散 率； G 为 由层流速度梯度而产生 的湍流动能 ； G 为由浮 力而产生的湍流动能 ； y M为由在可压缩湍流中， 过 渡的扩散产生的波动 ； C 和 c 为模 型常数 ； S 和 5 为用户定义的应变力张量。 R e a l i z a b l e k - 6 ／ L E S是将 R e a l i z a b l e k - 8模型中 k 方程的耗散项改为 “ ] ，喜 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 4 汽车工程 2 0 1 5年 第 3 7卷 第 4期 4 ． 2压 力分 析 当汽车高速行驶时， 在 A柱 附近和侧 窗表面上 涡流流动剧烈 ， 产生很大的压力脉动。此外 ， 在侧窗 附近还会生成许多的次生分离流动， 形成非常复杂 的分离流 ， 对汽车气动噪声有很大影响_ 1 。为了验 证各湍流模型模拟复杂流动的性能 ， 本文 以侧窗为 监测对象 ， 在侧窗上选取 1 7个监测点 ， 其布置如图7 所示 图 7 监测 点的布置 监测点压力 系数 的仿真 与试 验对 比如 图 8所 示。由图可见 各湍流模型 的仿真与试验曲线趋 势 基本一致 ， 点 1～ 6 、 点 7～1 2 、 点 1 3～1 7压力系数均 呈现逐步降低趋势 ， 这是 由于点 6 、 点 1 2 、 点 1 7 3点 离 A柱最近， 负压绝对值高； L E S湍流模型压力系数 曲线距试验 曲线最远 ， 计算误差 比 3种 R A N S ／ L E S 混合模型的都要大。 一 O O O 一O 譬一 0 H 董一 O 一 0 0 一o l 2 3 4 5 6 7 8 9 l O l 1 l 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 监测点序号 图8 监测点压力系数 图 9和图 1 0分别为监测点 7和点 1 2的脉动压 力时序图 ， 其 中监测点 1 2靠近 A柱 ， 监测点 7远离 A柱。由图可见 数值计算与试验结果总体趋势一 致 ； L E S模型的计算误差最大， R e a l i z a b l e k - ／ L E S混 合模型与试验曲线最吻合； 通过点7和点 1 2两点问 的对比发现 ， 监测点 1 2的脉动压力波动 比较强烈 ， 而监测点 7变化 比较 平稳 ， 这 是 因为点 1 2靠 近 A 柱 ， 气流在 A柱分离 ， 产生分离流、 涡流 ， 从而引起脉 动压力变化剧烈。 4 ． 3 气动噪声分析 图 1 1 和 图1 2 分别 为 监 测点7和点 1 2 的数 值 一 0 0 3 0 0 4 0 05 0 O6 0 O7 0 O 8 时间／ s 图9 监测点 7的脉动压力 0 0 3 0 O 4 0 05 0 0 6 0 O 7 0 0 8 时间／ s 图 l O 监测点 1 2的脉动压力 仿真与风洞试验 的声压频谱 图。由图可见 各湍流 模型数值计算与试验之 间的变化趋势一致 ； 两监测 点的声压级的频带很宽 ， 没有明显的主频率 ， 在低频 时声压级 幅值 较大 ， 随着频率 的升 高， 幅值持续 下 降。由此可知 ， 气动噪声低频部分的能量较大， 高频 部分能量较小 。 频率／ I- Iz 频率／ H z 1 2 l 一试 验 o _I ■ 号 9 0 -} i 砒 霸 9文 ⋯⋯⋯ ⋯ O 1 0 00 2 0 00 3 0 00 0 1 00 0 2 00 0 3 00 0 频率／Hz 频率／ H z 图 1 1 监测点 7的声压级频谱 图 根据声压级频谱得到各湍流模型下监测点 的总 声压级 ， 如表 1和表 2所示。从两点间 的比较可 以 看出， 监测点 1 2的声压级 比监测点 7要高。由上文 0 0 O O O O O 0 O 书 川 日 d ， R趟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 V o 1 ． 3 7 N o ． 4 谢超 ， 等 不同 R A N S ／ L E S混合模型的汽车气动噪声分析 4 4 5 频率／ H z 频率／ H z 频率／ H z 频率／ Hz 图 1 2 监测点 1 2的声压级频谱图 可知 ， 监测点 l 2靠 近 A柱 ， 脉动压力波动强烈 ， 从而 引起气动噪声较大。 表 1 监测点 7各湍流模型总声压级对 比 湍流模型 声压 级／ d B 相对误差 I S 1 0 3 ． 6 3 1 0 ． 43 ％ Re a l i z a b l e k ． 6 ／ L ES 9 7 ． 5 8 3 ． 9 8％ S S T k ． ∞／L E S 9 8 ． 4 5 4． 91 ％ S p a l a r t - Al l a ma r a s ／L ES 1 0 0 ． 3 3 6 ． 9 2％ 风洞试验 9 3 ． 8 4 表 2 监测点 1 2各湍流模型总声压级对 比 湍流模型 声压级／ d B 相对误差 L ES 1 0 7 ． 9 0 1 0 ． 3 9 ％ Re ali z a b l e k ． L ES 9 8 ． 6 5 1 ． 9 5％ S S T k - Ln ， L ES 1 01 ． 9 1 4 ． 2 7 ％ S p a l a r t - Al l a ma r a s ／ LE S 1 0 2 ． 9 8 5 ． 3 6 ％ 风洞试验 9 7 ． 7 4 由各点的数值计算和风洞试验结果对比发现， L E S湍 流 模 型 的误 差 最 大 ， R e a l i z a b l e k - JL E S和 S S T k - t o ／ L E S混合模型的相对误差均小于 5 ％ ， 符合 计算精度要求 ， 其 中 R e a l i z a b l e 一 e ／ L E S混合模型的 计算精度最高。 计算使用的计算机配置 I n t e l R C o r e T M 2 Q u a d C P U， 4 G B内存。从表 3各湍流模型 的计算时 间可以看 出， L E S模型计算时间最少 ， 这是 因为 L E S 模型本身的计算时间要小于 R A N S模型。 由于混合 模型是在 R A N S模型的基础上建立的， R A N S模型的 差异导 致计算 时 间不 同。S p a l a r t A l l a m a r a s为单 方 程模型 ， 而 R e a l i z a b l e k - s和 S S T k - w为双方程模型 ， 所以 S p a l a a - A l l a m a r a s 模 型消耗 的 C P U时 间要 少。 而与 R e a l i z a b l e 一 s模 型相 比， S S T k - t o ／ L E S模型需 要计算 6个标量方程 ， 从而消耗更多的计算资源。 表 3 各湍流模型计算时间对 比 湍流模 型 计算 时间／ mi n L ES 3 8 8 3 Re a l i z a b l e k P ／L ES 4 6 5 0 S S T k ． ∞／ L ES 5 4 2 3 S p a l a r t Al l a ma r a s ／L ES 4 0 6 7 综合计算精度与计算 效率可以得 出， R e a l i z a b l e k - 6 ／ L E S能够准确且高效地模拟汽车的气动噪声。 5 结论 将 R e a l i z a b l e k - JL E S 、 S S T k - o ／ L E S和 S p a l a r t A l l ma r a s ／ L E S 3种混合模型计算结果与全 L E S模型 及风洞试验对 比发现 1 在相同计算条件下 ， 3种 R A N S ／ L E S混合模 型的流场和气动 噪声的计算精度 都高于 L E S湍流 模型 ； 2 R e a l i z a b l e k - s ／ L E S和 S S T k - t o ／ L E S} 昆合模 型对气动噪声 的计算误差 均小 于 5 ％ ， 而其 中 R e a l i z a b l e k - o ／ L E S模 型 的精度 更高 ， 消耗 的计 算资 源 更 少 。 参考文献 庞剑 ， 谌 刚， 何华 ．汽车噪声与振动 [ M] ．北 京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． G e o r g e A 13 ． A u t o mo b il e A e r o d y n a m i c N o i s e [ C ] ． S A E P a p e r 9 0 0 3 1 5 ． B u c h h e i m R， Do b r x y n s k i W ， Ma n k a u H ， e t a 1 ． Ve h i c l e I n t e r i o r N o i s e R e l a t e d t o E e mal A e r o d y n a mi c s [ R] ．I n s t i t u t e o f V e h i c l e De s i g n，S p e c i a l P u b l i c a t i o n S P 3，1 9 8 31 9 7- 2 0 9． Ya n g X． Do ma r a d z k i J ． L a r g e Ed d y S i mu l a t i o n o f Ro t t i n g De c a y i n g T u r b u l e n c e [ J ] ． P h y s i c s of F l u i d s ， 2 0 0 4 ， 1 6 4 0 8 8 ． 汪怡平 ， 谷 正气 ， 李伟平 ， 等 ．汽车气动 噪声数值 计算 分析 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 9 ， 3 1 4 3 8 5 - 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r o wb a n d Ra d i a t e d El e c t r o ma g n e t i c E n e r g y Ve h i c l e T e s t Me t h o d s [ S ] ． 2 0 0 5 ． I S Ol 1 4 5 2 -- 2 2 0 0 5，Ro a d Ve h i c l e El e c t r i c a l Di s t u r b a n c e s b y Na r - r o wb a n d Ra d i a t e d E l e c t r o ma gn e t i c En e r g y Co mp o n e n t Te s t Me t h -- o d s [ S ] ． 2 0 0 5 ． 张乾 ， 孙泽 昌． 现代汽车 电磁兼 容理论与设 计基础 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 9 3 6 0 3 6 3 ． G B 2 5 9 9 1 --2 0 1 0汽车用 L E D前照灯 [ S ] ． 2 0 1 0 ． G B 7 2 5 8 --2 0 1 2机动车运行安全技术条件 [ S ] ． 2 0 1 2 ． 上接第 4 4 5页 [ 9 ] 肖志祥 ， 符 松 ．用 R AN S ／ L E S混 合方 法研究 超声 速底部 流动 [ 1 3 ] S p a l a r t P R， J o u W H， S t r e t l e t s M， e t a 1 ．C o m me n t s o n t h e F e a ． [ J ] ．计算物理 ， 2 0 0 9， 2 6 2 2 2 1 2 3 0 ． s i b i l i t y o f L E S f o r Wi n g s a n d o n a H y b r i d R AN S ／ L E S A p p r o a c h [ 1 0 ] S p a l a r t P R， D e c k S ， S h u r M L ， e t a 1 ． A N e w V e r s i o n o f D e t a c h e d [ C ] ． 1 s t A i r F o r c e O f f ic e o f S c i e n t i f i c R e s e a c h I n t e r n a t i o n a l C o n E d d y S i mu l a t i o n ，R e s i s t a n t t o A mb i g u o u s G r i d D e n s i t i e s [ J ] ． f e r e n c e o n D N S ／ L E S ，A u g ， 1 9 9 7 ． T h e o r y C o mp u t a t i o n F l u i d D y n a m i c s ， 2 0 0 6， 2 0 1 1 8 1 1 9 5 ． [ 1 4] S AE J 2 0 7 1 R E V． J U N 9 4， A e r o d y n a m i c T e s t i n g o f R o a d V e h i c l e s [ 1 1 ] 汪怡平 ， 谷正气 ， 邓亚 东 ， 等 ．基 于准 k - 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