CFD 专栏丨汽车镂空式后尾翼的风噪研究

汽车后尾翼设计

汽车尾翼作为空气动力学附加装置，使得汽车高速行驶时，空气阻力形成一个向下的压力，提高轮胎抓地力，增加高速行驶稳定性，同时改善汽车尾部流场降低行驶风阻。由于轿车的尾翼通常安装在后行李舱盖末端，仅须考虑升力和阻力，不用太担心风噪的问题。而对于 SUV/MPV 这种方正的尾部造型，尤其是设计师为了提高造型的运动性和品牌个性，会在车顶末端采用镂空式尾翼设计。在高速行驶过程中，气流快速流过尾翼的镂空区域，冲刷后窗玻璃，导致振动激励向车内传递噪声，同时紊乱的气流之间相互摩擦本身也会产生高湍动能，通过声辐射的方式向车内传递。

SUV/MPV 车型的后尾翼通常安装在车顶末端

仿真模型描述

本文采用空气动力学分析模块 ultraFluidX 和统计能量法模块 SEAM 分析镂空尾翼对风噪的影响。

某 SUV 车型的后镂空尾翼

尾翼和车窗之间的间隙约为 25mm。计算对比分析 2 个模型，分别是 baseline（镂空尾翼原始状态）和 seal(封闭镂空尾翼的间隙)。

CFD 外流场模型

► HyperMesh CFD 导入车身 STL 数据，设置虚拟风洞参数：

• 仿真物理时间 1.1 秒，玻璃表面压力信号从 0.3 秒开始采样，采样频率 18.6K Hz。

• 远场格子尺寸 256mm，车头和车尾 8mm, 玻璃表面贴体加密 1mm。

• 来流风速 120km/h，车轮静止。

• Smagrorinsky LES 大涡模拟。

► 由于车身造型对称，采用半模型计算，总格子数 1.2 亿，4 张英伟达 A100 计算时间 4.5 小时。

HyperMesh CFD 虚拟风洞加密设置

SEA 统计能量法模型

► HyperMesh NVH 导入 CFD 的计算结果，玻璃表面的瞬态风压，设置 SEA 参数：

• 乘员舱车型（Sedan/ SUV/ MPV/ Crossover），声腔体积，混响时间曲线。

• 每块车玻璃的属性：是否有声学夹层，厚度，密度，模量，阻尼曲线。

• 采用对称边界，仅须输入驾驶员侧的玻璃载荷。

► Green House Noise 工具首先对时域压力脉动进行信号处理，在波数空间将信号分解为 Acoustic pressure 和 Hydrodynamic pressure, 然后调用 SEAM 求解器，计算噪声的传递损失，获取乘员舱内部不同空间位置的噪声频谱曲线和语言清晰度。

Green House Noise 风噪分析工具

仿真结果分析

CFD 模型的尾部空间加密

从对称面的时间平均风速看，封闭 25mm 的镂空区域带来的尾流变化并不十分显著。上图为 baseline，下图为 seal。

Y0 对称面的时间平均风速

瞬态速度场动画可见尾翼上表面和下表面的巨大速度差造成的气流剪切和翻滚。

Y0 对称面的瞬态风速云图

流线动画显示，后挡风玻璃表面存在向上的低速空气流动，后挡风玻璃下游的负压区存在顺时针旋转的较大漩涡。

Y0 对称面的瞬态风速流线图

瞬态压力场动画可见尾翼上表面不断有漩涡脱离，并在下游破碎耗散。

Y0 对称面的瞬态风压云图

瞬态涡量场动画可见后挡风表面的下部存在较强的气流漩涡强度。

Y0 对称面的瞬态 Vorticity 云图

从水平切面的流场看，主要区别在尾迹区域，对上游几何无影响。

过后视镜高度水平切面的瞬态风速云图

噪声信号处理

后挡风玻璃表面 1~4 号压力测点的声压级信号，实线 baseline, 虚线 seal, 可以看出：在小于 2000Hz 频率范围内，seal 模型的声压级幅值大约低 10dBA。

后挡风玻璃表面监测点的风压 SPL 曲线

后挡风玻璃的 Hydrodynamic dBMap 对比，选取 500/ 1000/ 2000/ 4000Hz 频率段。Hydrodynamic pressure 通常在低频贡献较大，由于镂空尾翼区域的气流加速效应，baseline 模型的噪声源明显高于 seal 模型。

Baseline

Seal

Baseline

Seal

Baseline

Seal

Baseline

Seal

后挡风玻璃的 Acoustic dBMap 对比，选取 1000/2000/4000/8000Hz 频率段。Acoustic pressure 通常在高频贡献较大，且由于透射效果高于 Hydrodynamic pressure，对舱内人员的语言清晰度影响会更大些。

Baseline

Seal

Baseline

Seal

Baseline

Seal

Baseline

Seal

• AWPS（Area Weighted Power Spectrum）面积加权功率谱，反映的是玻璃表面由于外流场激励的噪声源特性。AWPS 和噪声信号传递损失，如玻璃厚度，阻尼等因素无关。可用于评估由于外造型变化带来的声载荷的变化。

• Baseline 模型在后挡风玻璃的声载荷明显高于 Seal 模型。

后挡风玻璃表面的 AWPS

舱内噪声分析

• NVH 风噪工具根据车型模板将乘员舱自动分为若干个子系统，SEAM 模拟噪声能量在各个子系统内的流动和耦合。

• 前挡风和侧窗玻璃设置为夹层玻璃，后挡风设置为单层钢化玻璃。驾驶员头部空间的 SPL 曲线对比，差别主要在 200~500Hz，总声压级 Overall Sound Pressure Level 差别 0.7dBA， 语言清晰度差别 0.4%。

驾驶员头部空间的 SPL 曲线对比

 （蓝色-baseline, 红色-seal）

后排乘客头部空间的 SPL 曲线对比，差别主要在 180~2000Hz。总声压级差别 3.2dBA， 语言清晰度差别 3.5%。由于后排乘客靠近后挡风玻璃，对镂空尾翼的设计变动感受会更明显。

后排乘客头部空间的 SPL 曲线对比

 （蓝色-baseline, 红色-seal）

总结

通过仿真计算，研究了某 SUV 车型后尾翼的镂空设计对风噪的影响。对比 baseline（原始设计模型）和 seal（封闭尾翼间隙）两个模型的结果，可以看到汽车外流场整体差异并不十分明显。但是将 CFD 瞬态压力脉动结果进行信号处理后，风噪可见明显区别。Seal 模型后挡玻璃表面的 AWPS（面积加权功率谱）总体降低了 4.5dBA。再对比乘员舱内的噪声差异，驾驶员头部区域噪声差别较小，后排乘客头部区域总声压级差别为 3.2dBA，语言清晰度差别 3.5%。

采用 LBM+GPU 的计算方法准确、高效的获取瞬态外流场压力脉动，耦合 SEA 统计能量法计算声传播，分析汽车舱内噪声水平。在实际工程项目中，可以调整尾翼的造型，引导气流，避免冲击后挡风玻璃。这样既可以保留镂空造型特征，又可以减少流动噪声源的强度。CFD 和 NVH 的设计迭代过程可通过批处理模式，自动输出报告，提高效率。

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