摘要：采用大涡模拟模型（LES）计算了某汽车暖通空调风道的瞬态流场，然后应用Lighthill2Curle声学理论，采用FW2H声学模型，预测了其噪声特性。与试验结果对比表明，用CFD方法预测暖通空调系统管道气动噪声有一定精度，分析结果可用于改进空调系统的气动噪声性能。
一、前言
乘用车的车内噪声级已成为重要的舒适性评价指标。除了发动机、风噪声和轮胎噪声外，其它部件对内部噪声也有贡献。在平直路面低速行驶工况，某些汽车的暖通空调（heating ventilation air conditioning，HVAC）系统就是重要的车内噪声源。而气动噪声是HVAC系统的主要声源。
在设计阶段就预测HVAC系统的气动噪声，可大大降低汽车开发的成本与风险。HVAC系统气动噪声与空调风道的布置及结构等有关，风道尺寸及方向的突变、尖角等局部结构特征对其影响很大。
随着计算流体力学和气动声学的发展，用数值方法研究流场辐射噪声成为可能。作者采用大涡模拟方法（large eddy simulation，LES）计算出空调管道的瞬态流场，在此基础上，采用Lightill2Curle声学理论和FW2H（Ffowcs Williams Hawkings Model）模型，对其气动噪声进行了预测。
二、气动噪声分析理论
乘用车HVAC风道的气动噪声模拟需要CFD（计算流体力学）和计算气动声学两方面理论。首先采用LES方法计算乘用车HVAC系统管道的瞬态流场，然后用FW2H模型计算噪声的传播过程。
（一）CFD计算的LES方法
LES方法是介于直接数值模拟和Reynolds平均法（RANS）之间的一种湍流数值模拟方法。可直接模拟湍流中的大尺度涡，而小尺度涡的影响通过近似模型来考虑。该方法计算量远小于直接数值模拟方法，且模拟局部湍流的能力较强。
将NavierStokes方程在物理空间进行过滤，分解出描写大涡流场的运动方程。得到不可压缩流体的LES控制方程
连续方程： 
Navier2Stokes方程：
式中带上划线的量为滤波后的场变量；ρ为流体密度， 
为过滤后的速度分量，μ为湍流黏性系数， 
为压力，σij为黏性应力张量，
式中 
，τij为亚格子应力，它体现了小尺度涡的运动对所求解的运动方程的影响， 
.为使控制方程封闭，当前，采用较多的亚格子模型是涡旋黏性模型： 
.其中μt为亚格子湍流黏性系数； 
是求解尺度下的应变率张量，定义为
（二）气动声学理论
气动噪声由流体产生，将黏性应力张量σij和应力张量pij（pij=-σij+δijp）代入连续性方程（1）和Navier2Stokes动量方程（2），得到声传播方程
式中c0为声速。如果噪声产生于固体表面，那么，可以得到Curle声传播方程
式中ρ0为平均密度，x为声学观察点位置，y为声源点位置，R=|x-y|，lj为固体边界的单元法向量，t为当前测量时间。
（三）FW2H声学模型
FW2H方程为1969年由FfowcsWilliams和Hawkings提出。
式中p′为声压，ni为表面法向量，vn为表面法向速度。方程右侧3项分别代表单极子、偶极子和四极子。用式（7）就可以求出自由空间的声压。文中未考虑管壁的散射、反射和折射，只计算了声源及其自由场中的辐射。
三、气动噪声分析模型及过程
（一）CFD分析模型
计算采用FLUENT软件进行。图1为空调风道流场分析的网格模型，图中标明了3个出风口以及空气入口。3个出风口依次为仪表板上的左、中、右出风口。由于未考虑格栅的影响，因而中间的两个出风口用一个出口来表示。