CN110929457A - 一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，属于有水路表行车噪声数值模拟领域，该方法基于流场实验和声场实验的结果，两次对比验证以提高数值预测的准确度。本发明在轮胎结构受力变形模型中引入流体模块，充分考虑动水压力的影响，得到更符合实际的轮胎变形模型；通过考虑流体域中流动气体对脉动压力的影响，设置空气和水两个速度入口，充分考虑流动空气和水对有水路表行车所产生的流体动力学噪声的影响，解决了偶极子噪声发声源单一的问题；流场和声场结果的两次对比，极大地提高了数值预测的准确性。本发明的成果可以指导排水降噪路面的设计，还可以为雨天行车安全预警提供条件。

Description

一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法。

背景技术

随着国民经济以及交通事业的发展，路面行车噪声已经成为主要的噪声来源之一，它对道路沿线的居民和车内人员都带来了较大的危害。对于路面有水状况下的行车噪声，国内外学者实验研究表明，路面有水状况下的行车噪声比干燥状态下的响度更大、高频噪声的成分更高。有研究表面有水路面上的噪声与轮胎-路面间的接触状态具有一定的关联性。因此有水路面行车噪声的数值预测不仅可以指导排水降噪路面的设计，还可以为雨天行车安全预警提供条件。

有水路面的行车噪声与干燥路面行车噪声对比，主要区别在于流体域涉及空气和水这两种流体，包括“流”、“固”、“声”的多级耦合。有水路面上行车，属于流体域的马赫数不高的情况，流体发声源主要为偶极子源，气动噪声和水动力噪声同属于流体动力学噪声的范畴，具有相似的发声原理和频谱特性，因此忽略气动噪声模块对偶极子源噪声的贡献容易产生较大的预测误差。

目前对于路面行车噪声中的流体动力学噪声的数值预测，在计算轮胎沟纹泵气噪声时单级子源被广泛考虑，计算时为单一流体发声，计算结果未进行分级多次对比修正误差较大；有水路表高速行车时，轮胎受到较大的动水压力，传统计算在流场域建模时未考虑动水压力对于轮胎变形的影响，导致计算流场域产生偏差。

有水路面上行车所产生的流体动力学噪声，包括水和空气两种流体的共同作用，传统技术在解决路表行车所致的流体动力学噪声时存在流体发生源单一、对轮胎变形因素未充分考虑以及数值模拟精度低的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，该方法基于流场实验和声场实验的结果，两次对比验证以提高数值预测的准确度，解决了传统路面行车噪声数值预测问题中涉及的流体发声源单一、未考虑动水压力对轮胎变形的作用以及数值预测精度低的问题。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，包括如下步骤：

步骤1)使用轮胎变形经验公式，得到在一定内压和荷载下的轮胎变形；采用有限元方法确定变形后的轮胎模型；

步骤2)根据有水路面上轮胎滚动试验的流场实验数据，在计算流体力学软件中设置流场边界条件，对包含轮胎实体和空气的流场计算域建模并进行网格划分，采用多相流模型进行非定常计算获得脉动压力，与实验值进行对比；

步骤3)如果流场的脉动压力计算值与实验值相符，输出脉动压力作为偶极子声源信息用于声场分析；否则，修改流场参数，转到步骤2)；

步骤4)根据有水路面上轮胎滚动试验的声场实验数据，在声学模拟软件中设置包含轮胎和流体接触面的声场边界条件，对声场计算域和场点平面分别建模并进行网格划分，设置监测点，进行网格映射并将流场数据转移到声场网格上；

步骤5)对计算流体力学计算所得的时域数据(即脉动压力与时间的函数关系)进行快速傅里叶变换，转化为频域信息(即脉动压力与频率的函数关系)；

步骤6)采用声学有限元软件进行声学响应计算，输出声压级云图和监测点的声压级频率响应函数；

步骤7)如果声场计算所得的声压级频率响应函数符合实验结果，则将其输出作为结果；否则转到步骤4)，直至声压级频率响应函数计算值符合实验值。

进一步的，所述的步骤1)包括以下步骤：

步骤1.1)根据Dumplap提出的轮胎变形经验公式计算轮胎的变形量：

公式中δ为轮胎压缩变形量，cm；C₁为轮胎设计参数，斜交胎为1.15，子午胎为1.5，无量纲；W为轮胎负荷，daN；D为轮胎外径，cm；S₀为轮胎宽度，cm；P为轮胎内压，100kPa；K₀＝15×10^-3·S₀+0.42；

步骤1.2)在Abaqus软件中使用欧拉-拉格朗日算法(CEL)对受动水压力影响下的轮胎结构变形进行数值模拟；分别对路面以及空气和水组成的流体域建立有限元模型，导入轮胎模型，对各结构赋予材料属性和单元属性并进行网格划分；设置模型的接触条件，路面和轮胎两者之间采用interaction模块中面面接触的形式，路面、轮胎和流体三者之间采用通用接触的形式，并且分别定义摩擦公式；设置模型的边界条件，路面底面采用固定边界，流体域固定各壁面法线方向的速度，轮胎采用试验要求的转速和步骤1.1)中变形量设置竖向位移；施加包括自重和轮胎内压在内的等效荷载，利用Abaqus显式求解器进行计算；以*.stl格式输出变形后的轮胎模型。

进一步的，步骤2)中，所述的流场计算域充分考虑轮胎周围空气对脉动压力结果的影响，并基于步骤1.2)的结果利用布尔减法得到；计算流体力学中的多相流模型可以采用Fluent软件中的VOF模型或者混合模型，并设置空气和水两个速度入口，非定常计算得到的脉动压力作为偶极子噪声声源信息以*.cgns文件形式输出。

进一步的，步骤4)通过声类比方程，对远场噪声进行分析计算，原理推导如下：

声类比方程：

等式右侧三项分别为四级子、偶极子、单级子声源；式中c₀为声音在介质中的传播速度，F为轮胎外壁面，δ(F)为狄拉克函数，H(F)为阶跃函数，p为流体应力张量，有水路面行车时流体处于低马赫数状态，仅需考虑偶极子声源的影响，声类比方程可以简化为：

H(F)、F、δ(F)的表达式如下：

其中T_ij为莱特希尔湍流应力张量，方程(3)进行傅里叶变换后得：

其中

为T_ij的傅里叶变换，

为声学变量。

进一步的，所述的步骤4)包括以下步骤：

步骤4.1)基于步骤1.2)所得的变形后轮胎模型，使用布尔减法得到声场计算域，根据声场计算精度要求，划分适用于声学有限元计算的体网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.2)绘制场点平面，划分面网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.3)利用Virtual.Lab Acoustics的声学有限元模块，提取出流体与轮胎接触面上的脉动压力数据和计算流体力学网格信息，并保存成*.CATAnalysis文件形式；

步骤4.4)在Virtual.Lab Acoustics中建立声学有限元模型，将步骤4.3)中所得的*.CATAnalysis文件与步骤4.1)、4.2)中网格文件导入声学有限元模型中，设置声场中的实验监测点并定义单元组和出口属性；

步骤4.5)将计算流体力学网格和声学网格使用保守最大距离(ConservativeMaximum Distance)的方式进行映射。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，在轮胎结构受力变形模型中引入流体模块，充分考虑动水压力的影响，得到更符合实际的轮胎变形模型；通过考虑流体域中流动气体对脉动压力的影响，设置空气和水两个速度入口，充分考虑流动空气和水对有水路面行车流体动力学噪声的影响，解决了偶极子噪声发声源单一的问题；流场和声场结果的两次对比，极大地提高了数值预测的准确性。本发明的成果可以指导排水降噪路面的设计，还可以为雨天行车安全预警提供条件。

附图说明

图1为有水路面行车偶极子源噪声的数值预测流程图；

图2为轮胎结构受力计算模型；

图3为有水路面行车偶极子源噪声的流场计算模型；

图4为流场计算结果：轮胎壁面脉动压力图；

图5为有水路面行车偶极子源噪声的声场计算模型；

图6为有水路面行车偶极子源噪声的声场计算模型剖面图；

图7为流场网格和声场网格之间的映射方式；

图8为有水路面行车偶极子源噪声声压级数值计算结果和实验对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。

一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，包括以下步骤：

步骤1)使用轮胎变形经验公式，得到在一定内压和荷载下的轮胎变形；采用有限元方法确定变形后的轮胎模型；

步骤2)根据有水路面上轮胎滚动试验的流场实验数据，在计算流体力学软件中设置流场边界条件，对包含轮胎实体和空气的流场计算域建模并进行网格划分，采用多相流模型进行非定常计算获得脉动压力，与实验值进行对比；

步骤3)如果流场的脉动压力计算值与实验值相符，输出脉动压力作为偶极子声源信息用于声场分析；否则，修改流场参数，转到步骤2)；

步骤4)根据有水路面上轮胎滚动试验的声场实验数据，在声学模拟软件中设置包含轮胎和流体接触面的声场边界条件，对声场计算域和场点平面分别建模并进行网格划分，设置监测点，进行网格映射并将流场数据转移到声场网格上；

步骤5)对计算流体力学计算所得的时域数据(即脉动压力与时间的函数关系)进行快速傅里叶变换，转化为频域信息(即脉动压力与频率的函数关系)；

步骤6)采用声学有限元软件进行声学响应计算，输出声压级云图和监测点的声压级频率响应函数；

步骤7)如果声场计算所得的声压级频率响应函数符合实验结果，则将其输出作为结果；否则转到步骤4)，直至声压级频率响应函数计算值符合实验值。

所述的步骤1)主要包括以下步骤：

步骤1.1)根据Dumplap提出的轮胎变形经验公式计算轮胎的变形量：

公式中δ为轮胎压缩变形量，cm；C₁为轮胎设计参数，斜交胎为1.15，子午胎为1.5，无量纲；W为轮胎负荷，daN；D为轮胎外径，cm；S₀为轮胎宽度，cm；P为轮胎内压，100kPa；K₀＝15×10^-3·S₀+0.42；

步骤1.2)在Abaqus软件中使用欧拉-拉格朗日算法(CEL)对受动水压力影响下的轮胎结构变形进行数值模拟。分别对路面以及空气和水组成的流体域建立有限元模型，导入轮胎模型，对各结构赋予材料属性和单元属性并进行网格划分；设置模型的接触条件，路面和轮胎两者之间采用interaction模块中面面接触的形式，路面、轮胎和流体三者之间采用通用接触的形式，并且分别定义摩擦公式；设置模型的边界条件，路面底面采用固定边界，流体域固定各壁面法线方向的速度，轮胎采用试验要求的转速和步骤1.1)中变形量设置竖向位移；施加包括自重和轮胎内压在内的等效荷载，利用Abaqus显式求解器进行计算；以*.stl格式输出变形后的轮胎模型。

步骤2)中所述的流场计算域充分考虑轮胎周围空气对脉动压力结果的影响，并基于步骤1.2)的结果利用布尔减法得到；计算流体力学中的多相流模型可以采用Fluent软件中的VOF模型或者混合模型，并设置空气和水两个速度入口，非定常计算得到的脉动压力作为偶极子噪声声源信息以*.cgns文件形式输出。所述的步骤4)主要包括以下步骤：

步骤4通过声类比方程，对远场噪声进行分析计算，主要原理推导如下：

声类比方程：

等式右侧三项分别为四级子、偶极子、单级子声源。式中c₀为声音在介质中的传播速度，F为轮胎外壁面，δ(F)为狄拉克函数，H(F)为阶跃函数，p为流体应力张量，有水路面行车时流体处于低马赫数状态，仅需考虑偶极子声源的影响，声类比方程可以简化为：

H(F)、F、δ(F)的表达式如下：

其中T_ij为莱特希尔湍流应力张量，方程(3)进行傅里叶变换后得：

其中

为T_ij的傅里叶变换，

为声学变量。

步骤4.1)基于步骤1.2)所得的变形后轮胎模型，使用布尔减法得到声场计算域，根据声场计算精度要求，划分适用于声学有限元计算的体网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.2)绘制场点平面，划分面网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.3)利用Virtual.Lab Acoustics的声学有限元模块，提取出流体与轮胎接触面上的脉动压力数据和计算流体力学网格信息，并保存成*.CATAnalysis文件形式；

步骤4.4)在Virtual.Lab Acoustics中建立声学有限元模型，将步骤4.3)中所得的*.CATAnalysis文件与步骤4.1)、4.2)中网格文件导入声学有限元模型中，设置声场中的实验监测点并定义单元组和出口属性；

步骤4.5)将计算流体力学网格和声学网格使用保守最大距离(ConservativeMaximum Distance)的方式进行映射。

实施案例

以一个光面205/55R16轮胎和平整路面为例，进行有水路面行车偶极子源噪声的数值预测(车速80km/h，水膜厚度5mm)，整个噪声数值预测流程如图1所示。

步骤1.1)利用Dumplap提出的轮胎变形经验公式计算轮胎的变形量，205/55R16在设计工况(轮胎内压250kPa，轮胎上荷载2.0kN)下的变形量为1.46cm。

步骤1.2)如图2所示，在Abaqus软件中用可变性体建立路面模型(尺寸0.025m*0.5m*0.75m，网格单元数950，网格类型C3D8R)，用欧拉体建立流体域(包含水域(尺寸0.005m*0.5m*0.65m)和空气域(尺寸0.095m*0.5m*0.65m)，网格总单元数5202600，网格类型EC3D8R)，轮胎模型网格(网格单元数24750、网格类型C3D8R)；设置模型的接触条件，路面和轮胎两者之间采用interaction模块中面面接触的形式，摩擦系数为0.5，路面、轮胎和流体三者之间采用通用接触的形式，摩擦公式采用Rough；设置模型的边界条件，路面底面采用固定边界，流体域固定各壁面法线方向的速度，轮胎采用试验要求的转速和步骤1.1)中变形量1.46cm设置竖向位移；施加包括自重和轮胎内压在内的等效荷载，利用Abaqus显式求解器进行计算；以*.stl格式输出变形后的轮胎模型。

步骤2)如图3所示，根据实验数据设置流场边界条件：进口流速80km/h和进出口压力101.325kPa。对流场计算域建模并进行网格划分，流场计算域大小为0.7m*0.3m*0.64m，网格单元数为1069388，在计算流体力学软件Fluent中采用多相流模型进行非定常计算获得流场脉动压力，脉动压力结果采用Virtual Lab.Acoustics读取结果如如图4所示，与实验值进行对比；

步骤3)如果流场的脉动压力计算值与实验值相符(误差小于5％)，以*.cgns文件形式输出脉动压力作为流场中偶极子声源信息，用于声场分析；否则，修改流场参数，转到步骤2)；

步骤4.1)基于步骤1.2)所得的变形后轮胎模型，使用布尔减法得到声场计算域，声场计算域大小为0.7m*0.3m*0.65m，根据声场计算精度要求声场网格的单元长度应满足：

式中L表示所需网格的单元长度，m；c表示声音在某流体介质中的传播速度，m/s；f_max表示最高设计频率，Hz。划分适用于声学有限元计算的体网格，网格单元数为444590，并以*.bdf格式输出，如图5、图6所示；

步骤4.2)绘制场点平面，划分面网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.3)利用Virtual.Lab Acoustics软件的声学有限元模块，提取出流体与轮胎接触面上的脉动压力数据和计算流体力学网格信息，并保存成*.CATAnalysis文件形式；

步骤4.4)在Virtual.Lab Acoustics软件中建立声学有限元模型，将步骤4.3)中所得的*.CATAnalysis文件与步骤4.1)、4.2)中网格文件导入声学有限元模型中，设置声场中的实验监测点并定义单元组和出口属性；并将声音的传播介质设置为空气。

步骤4.5)将计算流体力学网格和声学网格使用保守最大距离(ConservativeMaximum Distance)的方式进行映射(如图7所示)。

步骤5)对计算流体力学计算所得的时域数据进行快速傅里叶变换，转化为频域信号，转换频率范围为200-3400Hz；

步骤6)采用声学有限元软件Virtual.Lab Acoustics进行声学响应计算，输出声压级云图和监测点的声压级频率响应函数；

步骤7)如果声场计算所得的声压级频率响应函数符合实验结果(误差小于5％)，则将其输出作为结果；否则转到步骤4)，直至声压级频率函数计算值符合试验值。

本方法得到的数值预测噪声(“模拟数据”)、实验所得值(“试验数据”)以及常规方法所得的数值预测噪声(“对比模拟数据”)对比图如图8所示，本方法在噪声声压值、声压级-频率函数在200-1250Hz范围内的变化趋势更加符合实验数据，可以看出本发明提供的预测方法准确性较高。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)使用轮胎变形经验公式，得到在一定内压和荷载下的轮胎变形；采用有限元方法确定变形后的轮胎模型；

步骤2)根据有水路面上轮胎滚动试验的流场实验数据，在计算流体力学软件中设置流场边界条件，对包含轮胎实体和空气的流场计算域建模并进行网格划分，采用多相流模型进行非定常计算获得脉动压力，与实验值进行对比；

步骤3)如果流场的脉动压力计算值与实验值相符，输出脉动压力作为偶极子声源信息用于声场分析；否则，修改流场参数，转到步骤2)；

步骤4)根据有水路面上轮胎滚动试验的声场实验数据，在声学模拟软件中设置包含轮胎和流体接触面的声场边界条件，对声场计算域和场点平面分别建模并进行网格划分，设置监测点，进行网格映射并将流场数据转移到声场网格上；

步骤5)对计算流体力学计算所得的时域数据进行快速傅里叶变换，转化为频域信息；

步骤6)采用声学有限元软件进行声学响应计算，输出声压级云图和监测点的声压级频率响应函数；

步骤7)如果声场计算所得的声压级频率响应函数符合实验结果，则将其输出作为结果；否则转到步骤4)，直至声压级频率响应函数计算值符合实验值。

2.根据权利要求1所述的一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，其特征在于：所述的步骤1)包括以下步骤：

步骤1.1)根据Dumplap提出的轮胎变形经验公式计算轮胎的变形量：

公式中δ为轮胎压缩变形量，cm；C₁为轮胎设计参数，斜交胎为1.15，子午胎为1.5，无量纲；W为轮胎负荷，daN；D为轮胎外径，cm；S₀为轮胎宽度，cm；P为轮胎内压，100kPa；K₀＝15×10^-3·S₀+0.42；

步骤1.2)在Abaqus软件中使用欧拉-拉格朗日算法对受动水压力影响下的轮胎结构变形进行数值模拟；分别对路面以及空气和水组成的流体域建立有限元模型，导入轮胎模型，对各结构赋予材料属性和单元属性并进行网格划分；设置模型的接触条件，路面和轮胎两者之间采用interaction模块中面面接触的形式，路面、轮胎和流体三者之间采用通用接触的形式，并且分别定义摩擦公式；设置模型的边界条件，路面底面采用固定边界，流体域固定各壁面法线方向的速度，轮胎采用试验要求的转速和步骤1.1)中变形量设置竖向位移；施加包括自重和轮胎内压在内的等效荷载，利用Abaqus显式求解器进行计算；以*.stl格式输出变形后的轮胎模型。

3.根据权利要求1所述的一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，其特征在于：步骤2)中，所述的流场计算域充分考虑轮胎周围空气对脉动压力结果的影响，并基于步骤1.2)的结果利用布尔减法得到；计算流体力学中的多相流模型可以采用Fluent软件中的VOF模型或者混合模型，并设置空气和水两个速度入口，非定常计算得到的脉动压力作为偶极子噪声声源信息以*.cgns文件形式输出。

4.根据权利要求1所述的一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，其特征在于：步骤4)通过声类比方程，对远场噪声进行分析计算，原理推导如下：

声类比方程：

等式右侧三项分别为四级子、偶极子、单级子声源；式中c₀为声音在介质中的传播速度，F为轮胎外壁面，δ(F)为狄拉克函数，H(F)为阶跃函数，p为流体应力张量，有水路面行车时流体处于低马赫数状态，仅需考虑偶极子声源的影响，声类比方程可以简化为：

H(F)、F、δ(F)的表达式如下：

其中T_ij为莱特希尔湍流应力张量，将方程(3)进行傅里叶变换后得：

其中

为T_ij的傅里叶变换，

为声学变量。

5.根据权利要求4所述的一种有水路面行车偶极子源噪声的数值预测方法，其特征在于：所述的步骤4)包括以下步骤：

步骤4.1)基于步骤1.2)所得的变形后轮胎模型，使用布尔减法得到声场计算域，根据声场计算精度要求，划分适用于声学有限元计算的体网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.2)绘制场点平面，划分面网格，并以*.bdf格式输出；

步骤4.3)利用Virtual.Lab Acoustics的声学有限元模块，提取出流体与轮胎接触面上的脉动压力数据和计算流体力学网格信息，并保存成*.CATAnalysis文件形式；

步骤4.4)在Virtual.Lab Acoustics中建立声学有限元模型，将步骤4.3)中所得的*.CATAnalysis文件与步骤4.1)、4.2)中网格文件导入声学有限元模型中，设置声场中的实验监测点并定义单元组和出口属性；

步骤4.5)将计算流体力学网格和声学网格使用保守最大距离的方式进行映射。

Images