一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪方法

本发明涉及一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪方法，属于汽车空调。

背景技术：

1、汽车空调系统作为保障车内热舒适性与空气品质的关键部件，其噪声水平直接影响乘客的乘坐体验。特别是在新能源汽车迅速普及的背景下，传统动力系统噪声被大幅削弱，空调系统气动噪声因而愈加凸显，成为影响车内声学环境舒适性的关键因素之一。因此，降低汽车空调系统气动噪声具有重要意义。

2、传统降低汽车空调系统风道气动噪声的方法通常分为以下几种，一是利用工程经验通过优化风道几何形状，减少弯头数量、增大转弯半径、增加导流片等，改善流场分布。但此类结构优化方案往往受限于汽车内部空间布局，难以实现理想化的流道设计。二是在风道内壁粘贴吸音棉或多孔材料，通过材料吸收声能降低噪声。例如，现有技术公开了一种风道总成，通过在风道本体的内侧壁面上设置波浪状的降噪海绵，用于降低风速及声音频率。然而，吸音材料的设置会增大空气流动阻力，增加鼓风机负载，且在高湿度环境下易失效。三是在风道中集成扩张腔、亥姆霍兹共振器等消声结构，针对特定频率噪声进行抑制。现有技术公开了一种降噪管道，通过设计具有亥姆霍兹共振腔的降噪单元，实现宽频降噪。然而，此类结构占用空间较大，且对宽频噪声的抑制效果有限。

3、综上所述，目前针对汽车空调系统气动噪声控制的研究，大多通过对噪声源处的风道结构进行优化来实现。然而，不同车型的空调风道结构差异较大，相应的优化改进方法也因结构不同而存在显著差异。因此，亟需探索一种成本较低、且对中低频气动噪声具有明显控制效果的方法，以实现对汽车空调气动噪声的有效控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪的方法，通过分析风道气动噪声源,通过试验手段分析风道噪声特性,以汽车除霜风道为目标对象利用cfd和caa(声类比法)进行稳态流场和声场计算,依据分析结果以及仿生降噪理论,提出利用鲨鱼皮微观盾鳞结构为仿生对象设计仿生导流元胞,并对其结构进行设计,最后通过仿真与试验验证该结构应用在除霜风道中具有较好的降噪效果。

2、本发明的技术方案提供一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪的方法，主要包括以下步骤：

3、步骤一：风道气动噪声与流场理论研究

4、首先分析了气动噪声中常见的三种声源类型——单极子、偶极子与四极子，并探讨了各自的产生机理，为后续准确、严谨地数值模拟汽车空调风道内部流场提供了理论支撑。其次通过建立风道气动噪声控制方程来为风道声场数值模拟计算提供理论依据。

5、其中气动噪声计算方程表达式如下：

6、；

7、；

8、；

9、式中，为壁面函数；和分别表示流体在方向及固体边界法线方向的速度分量；为固体边界的运动速度；为应力张量。fw-h 方程右端的第一、第二和第三项依次对应单极子、偶极子和四极子声源。当固体边界静止，即速度时，fw-h方程可简化为柯尔方程。此时，方程右端仅包含偶极子与四极子声源，且在低马赫数流动条件下，偶极子声源占据主导地位。

10、步骤二：风道流场-声场耦合仿真分析与风道气动噪声试验验证

11、建立汽车空调风道的三维几何模型，进行网格划分，采用计算流体动力学方法对风道内流场进行数值模拟，获得速度场、压力场和湍动能分布；基于流场计算结果，采用宽频噪声源模型识别主要气动噪声源位置和气动声源类型。所述宽频噪声源模型包括curle噪声源模型和proudman噪声源模型，其中：curle噪声源模型用于计算低马赫数流动中边界层内的偶极子噪声，根据湍流时间尺度、特征长度和壁面剪切力计算单位面积附近的声强；proudman噪声源模型基于各向同性湍流流场预测假设，用于计算空间四极子噪声源，通过湍流特征长度和特征时间计算单位体积声强。

12、同时，开展空调风道的气动噪声试验，将仿真结果与实测数据进行对比，以验证计算模型的准确性与可靠性。

13、步骤三： 仿生结构设计

14、根据汽车空调风道流场与声场数值模拟计算结果以及仿生降噪理论提出利用鲨鱼皮微观盾鳞结构为仿生对象设计仿生导流元胞，并针对其结构进行截面与排布方式设计。同时为了探究最优排布方式选择对仿生导流元胞结构进行多目标参数优化。

15、步骤四： 仿生导流元胞结构降噪效果验证

16、通过将上一步计算得到的最优仿生导流元胞结构应用在汽车空调除霜风道中，对含有仿生导流元胞结构进行流场与声场计算，并与原始除霜风道进行对比，对比优化前后的噪声频谱、流线湍动能以及声功率，验证仿生降噪效果。与此同时基于优化后的仿生结构参数，采用3d打印制作仿生降噪风道样件，在半消声室内进行气动噪声测试，验证仿生降噪方法的有效性。

17、本发明的有益效果是：

18、1.本发明对于空调气动噪声宽频降噪效果显著：通过模仿鲨鱼皮盾鳞沟槽的减阻降噪结构，建立仿生导流元胞结构将其结构应用于除霜风道内壁处，能够在较宽频率范围内实现有效降噪。研究表明，仿生结构能够抑制风道湍流涡流的形成，进而改善风道出风口噪声水平，提高整车nvh性能。

19、2.本发明源头抑制噪声：基于curle噪声源模型和proudman噪声源模型精准识别噪声源类型和位置，针对不同部位的噪声源特点匹配相应的仿生结构，从源头抑制气动噪声的产生。

20、3.本发明可设计强：建立了系统的仿生降噪设计方法，通过参数化建模和多目标优化，能够根据不同的风道结构和工况需求，灵活调整仿生结构参数，实现定制化降噪设计。

1.本发明的目的是提供一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪的方法，通过分析风道气动噪声源,通过试验手段分析风道噪声特性,以汽车除霜风道为目标对象利用cfd和caa(声类比法)进行稳态流场和声场计算,依据分析结果以及仿生降噪理论,提出利用鲨鱼皮微观盾鳞结构为仿生对象设计仿生导流元胞,并对其结构进行设计,最后通过仿真与试验验证该结构应用在除霜风道中具有较好的降噪效果。

2.本发明的技术方案提供一种基于汽车空调系统风道气动噪声性能的仿生降噪的方法，主要包括以下步骤：

3.其中气动噪声计算方程表达式如下：式中，为壁面函数；和分别表示流体在方向及固体边界法线方向的速度分量；为固体边界的运动速度；为应力张量。fw-h 方程右端的第一、第二和第三项依次对应单极子、偶极子和四极子声源。当固体边界静止，即速度时，fw-h 方程可简化为柯尔方程。此时，方程右端仅包含偶极子与四极子声源，且在低马赫数流动条件下，偶极子声源占据主导地位。

4.步骤二：风道流场-声场耦合仿真分析与风道气动噪声试验验证

5.同时，开展空调风道的气动噪声试验，将仿真结果与实测数据进行对比，以验证计算模型的准确性与可靠性。

6.步骤三： 仿生结构设计

7.步骤四： 仿生导流元胞结构降噪效果验证