格子玻尔兹曼法在整车风噪开发中的应用

      与传统计算流体力学不同，格子玻尔兹曼法从微观动力学角度出发, 把流体的宏观运动作大量流体分子微观运动的统计平均结果，借助人工微观模型模拟真实的流体系统。在该力法中, 流体被抽象为有限个微观粒子, 这些粒子根据某些简单的方法在规则的离散格子上碰撞和迁移。

玻尔兹曼方程是描述非平衡状态下粒子速度变化的分布函数：

上式中右侧项为碰撞项，同样满足必要的质量守恒、动量守恒和能量守恒，即

动量守恒：

       能量守恒：

• 比 N-S方程更基础

1.  更贴近流体运动的本质

2. 适用于更多的物理现象

3. N-S方程是玻尔兹曼方程的一种低阶近似

• 高精度瞬态求解

• 计算全细节的几何模型

• 稳定性好

• 并行效率高

• VLES 湍流模型

1. 直接瞬态求解大尺度湍流

2. 高精度

结合笔者的理解， LBM从微观动力学角度出发, 把流体的宏观运动作大景流体分子微观运动的统计平均结果，NS方程是基于连续性假设得到的，这两种方法均通过满足三大守恒定律来建立物理模型。LBM为代数方程，而NS方程为非线性微分方程。在三维正方形网格单元上求解时，LBM可处理成19个方向上的代数守恒即可保证计算精度，如图1所示。而NS方程需要将方程进行高阶展开（一般为二阶以上），产生高阶截断误差，同时保留二阶项后，在6个方向上的保持守恒。

正是由于这两种方法的差异，使得LBM在风噪计算上有2个优势：（1）代数方程求解高效；（2）无截断误差。求解高效可保证LBM求解器用于更多的网格量、更贴合几何特征的网格模型的求解。无截断误差可避免高阶信号的丢失，从而保证了风噪的计算精度。这两个优势契合了风噪计算对流体仿真高精度和高硬件资源消耗的要求。

图1 LBM守恒定律三维图

       基于LBM的分析工具主要有PowerFLOW，Xflow，ultrafluidX等，其中PowerFLOW结合其声学软件Poweracoustics是目前整车风噪上最为成熟的LBM分析工具，其高精度、高效率得到业界广泛认同。

4.1技术路线

PowerFLOW是目前在整车风噪上应用最为广泛的LBM工具，其技术路线如下图。

（1） 通过PowerFLOW进行流体可压瞬态计算，得到车窗表面的瞬态表面压力；

（2） 在PowerACOUSTICS中进行波数分解得到湍流压和声压两部分载荷，这两部分载荷分别传入到乘员舱内得到过舱内噪声。

图2 PowerFLOW和PowerACOUSTICS技术路线

4.2 声学模块介绍

（1）信号处理模块 (SPM) 用于在频域和时域中分析PowerFLOW的声压信号，并生成音频文件以便于通过听觉直接评估噪声水平；

（2）噪声传播模块 (NTM) 可用于评估轿车、卡车及工程机械的内部风噪声水平，包括通过驾驶室和底盘的面板及密封部件传入的噪声；

（3）远场噪声模块 (FFN) 用于评估高速列车、飞机及重型机械设备在移动或停车状态时产生的环境噪音；

（4）流动噪声识别模块 (FIND) 够简单直观的指出任何几何结构的流动噪声问题根源并定量的评估噪声辐射声功率。

4.3 应用方向

• 噪声传播——通过驾驶室和底盘面板及密封结构传入驾驶室内的风噪声预测

• 驾驶舱内部风噪声水平评估

• 设计参数及声学包属性研究

• 信号处理——完整的时域和傅里叶空间信号处理

• 结果展示——生成真实场景渲染的可视化三维图片和动画

5.1 计算模型

图3 计算模型与加密区

图4 虚拟风洞模型

图5为原车dB着色车外流场涡心图，从图中可知声源的位置和强度，主要声源包括后视镜尾涡、落水槽尾涡、雨刮尾涡和A柱脱落涡；

图6为这些声源在侧窗和前风挡上dB云图，侧窗湍流载荷源于后视镜三角台阶尾涡、后视镜支架尾涡和A柱尾涡（图6a）。侧窗辐射声波载荷源于后视镜三角台阶尾涡、后视镜支架尾涡(图6b)。雨刮和落水槽引起的湍流压力脉动作用在前风挡上（图6c），落水槽尾涡撞击在A柱上，在前风挡上产生辐射声波（图6d）；

图7为驾驶员头部区域SPL曲线。

图5 原车dB着色车外流场涡心图

图6. 侧窗和前风挡玻璃dB云图

图7 驾驶员头部区域SPL曲线