汽车外后视镜造型，对气动和噪声影响的风洞实验，有哪些影响？

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

随着汽车工业的高速发展，汽车的空气动力学和噪声性能越来越受到重视，如何解决气动噪声和气动阻力成为汽车工程师们关注的焦点，一方面，对于车辆行驶时产生的气动噪声，可以通过减少表面粗糙度来降低其声压级；

另一方面，通过对车身造型的改进和优化来降低气动阻力。而车身造型的优化离不开风洞实验，目前国内外对于风洞实验方法、设备及软件应用等方面都有比较成熟的研究和应用。

本文中所提到的汽车外后视镜造型优化即是通过对汽车外后视镜表面进行一定的加工处理来改善其气动性能和噪声性能，从而在提高车辆行驶时安全性和舒适性方面做出贡献。

风洞实验

为了研究汽车外后视镜造型对气动和噪声的影响，首先进行了模型的风洞实验。由于本研究的目的是为了分析汽车外后视镜造型对气动和噪声的影响，因此，在进行模型设计时，参考了《汽车外后视镜造型设计与噪声试验方法》等标准中的相关内容。

首先，笔者在汽车外后视镜造型设计方案的基础上，利用逆向工程软件建立了某款车的外后视镜模型，并对其进行了三维建模，在此基础上进行了模型的加工；

然后，利用 CATIA软件对该模型进行了三维建模；最后，利用 Lighthill声类比系统对该模型进行了气动噪声和风噪声源定位。

在此基础上，笔者对该模型进行了气动和噪声风洞实验。其具体实验步骤如下：首先，利用低速风洞对模型进行测试；然后，利用高速风洞对模型进行测试；最后，将两种工况下的气

该模型在低速条件下的气动噪声和风噪声源定位结果都很好；在高速条件下的气动噪声和风噪声源定位结果都较差。

这是因为低速条件下的气动噪声主要是由于气动流动和表面摩擦引起的，而高速条件下气动流动和表面摩擦并不明显；而风噪声源定位结果主要是由于两种工况下噪声源不同造成的。

另外，对于汽车外后视镜造型设计对气动噪声和风噪声源定位的影响，还可以通过将模型在低频段或高频段上进行频谱分析得到证实。

由图2可知，模型在低频段和高频段的声压级随车速的变化趋势一致，且在低频段和高频段的声压级峰值点相差较大；

但是，当车速较低时，模型在低频段的声压级峰值点随车速的变化趋势不一致，而在高频段的声压级峰值点则随车速的变化趋势一致；

但是，当车速较高时，模型在低频段和高频段的声压级峰值点相差不大，说明模型在低频段和高频段内存在明显的声压共振现象；而且，当车速较低时，模型在低频段和高频段内均出现了较强的共振现象。

后视镜造型

在风洞实验中，汽车后视镜上的气流主要分为两部分：一部分是由前风挡、车身和外后视镜形成的气流，这部分气流主要由前风挡表面的凹坑、风窗、车门缝隙等区域构成；

另一部分则是由后视镜上的曲面形状构成的，这部分气流主要由后风挡表面的凹坑和车身表面的凸包等构成。

后视镜表面的形状直接影响了其后方气流与车身表面之间的相互作用，从而影响了汽车后视镜后方流场与噪声。

因此，可以通过对汽车后视镜造型进行优化设计来改善其后方流场和噪声，从而改善汽车气动和噪声性能。

（1）采用曲面镜作为后视镜造型，可以改善后视镜后方流场的稳定性。

首先，曲面镜造型可以在一定程度上减小后风挡气流的涡流区域，从而减小后风挡气流的流动速度，使其与后视镜气流分离更好，同时减小其与后视镜气流之间的相互作用，进而改善其后方流场。

（2）采用微通道结构设计来优化后视镜造型。

微表面形状主要是指在外后视镜内部放置有微表面结构，如在外后视镜表面放置一个微凸包结构等。通过在外后视镜内部放置微表面结构可以有效增加其后方气流与后风挡气流之间的相互作用，从而降低其后方流场和噪声水平。

另外，在外后视镜内部放置微通道结构可以在一定程度上减少后视镜后方气流的涡流区域，从而提高其后方流场的稳定性，增加其后方气流与后风挡气流之间的相互作用，进而减小后风挡气流对后视镜的冲击作用，使其后方流场和噪声水平得到一定程度的改善。

因此，通过在外后视镜内部放置微通道结构可以有效降低外后视镜后方流场和噪声水平。但由于微通道结构自身具有一定的尺寸和形状限制，因此在应用时应注意微通道结构自身所具有的尺寸和形状限制。

在应用时应尽量避免微通道结构的尺寸过小，否则会导致微通道结构内部气流流动速度过快，进而导致其后方流场和噪声水平恶化。

气动性能结果

根据之前的研究结果，车身尾部造型对气动性能的影响是比较显著的，这主要是由于尾部造型可以改变车辆周围气流的流动方向，从而改变气动特性。

后视镜造型对这三个区域产生的压力值都有不同程度地影响。其中下翼板附近产生的压力最大，在后视镜造型变化不大的情况下，车身尾部造型对下翼板附近产生的负压区影响最大，其主要原因是下翼板附近气流流动方向发生了变化，气流从后视镜后部流向前柱和后柱。

同时，根据压力结果可以看出在前柱附近区域产生负压区时会出现一些特殊现象。具体来说就是在中柱和后柱之间产生了一个压力差，由于中柱和后柱处空气流速较高，因此在中柱处形成了一个负压区；

另外，在后视镜造型变化较大的情况下，车身尾部造型对这三个区域产生的压力值影响也比较明显。

除了对正压区、负压区和正压区产生影响外，车身尾部造型还对后视镜后方气流的流动方向有一定影响。

根据相关研究，发现在车辆行驶时，位于车辆后方的气流流动方向是向左或右的，而位于车身正前方的气流流动方向则是向前或后的。

这主要是因为车辆后方气流流动方向会受到车身正前方气流流动方向影响，而车身正前方气流流动方向则与之相反。

如果后视镜造型不变，则汽车后方气流流动方向与车身正前方气流流动方向相同，因此后视镜后方气流流动方向就会与车身正前方气流流动方向相反。

噪声性能结果

车辆的噪声是指在车辆运行过程中，由发动机、制动系统、空调系统等部件发出的声音，主要包括发动机噪声和刹车噪声。

为了研究后视镜造型对车辆噪声的影响，我们对两种造型的后视镜进行了实验。通过对比可以发现，不同造型的后视镜在相同工况下，车辆的前柱附近和车内人员耳旁都出现了明显的声压级峰值。

可以看出，通过后视镜造型来减小车身高度，能够有效降低前柱附近的声压级峰值。

通过图中可以看出，前柱附近和车内人员耳旁噪声均随着后视镜倾斜角度增加而明显下降，而且当后视镜倾斜角度为40°时，车内人员耳旁的最大声压级可以降低2 dB左右。所以在实验过程中发现，通过后视镜造型来减小前柱附近和车内人员耳旁噪声的效果最好。

可以看出，随着后视镜倾斜角度增大，前柱附近和车内人员耳旁最大声压级均呈下降趋势。其中中柱附近声压级降幅最大达到了3 dB左右；后柱附近声压级降幅最大为4 dB左右；

而后柱附近和中柱附近声压级下降幅度相差不大；同时通过后视镜造型来减小A柱附近和车内人员耳旁噪声效果最好。

这是因为后视镜造型改变了车身表面的压力分布，所以车身表面所受到的压力也会发生变化。通过增加后视镜倾角，可以有效减小车身表面压力分布和降低前柱周围和车内人员耳旁噪声。

后视镜造型与风噪声的相关性

外后视镜造型对气动性能的影响主要体现在两个方面，一方面是减小了后视镜的涡流损失，另一方面是降低了气流分离时的气动噪声。

实验结果也表明，在50 Hz和500 Hz时，外后视镜造型对气动性能的影响相对较大，而在100 Hz和2000 Hz时，影响相对较小。

为了研究外后视镜造型与风噪声的相关性，对其外后视镜进行了重新设计。参照该车型原外后视镜造型设计方案和实验数据。

可以看出，原车外后视镜造型方案在50 Hz和500 Hz时的气动噪声水平较高，而在100 Hz时其气动噪声水平相对较低。

而新设计的外后视镜造型方案在50 Hz时气动噪声水平与原车方案相当，而在500 Hz时却有大幅降低。

而在原车方案中外后视镜与前柱之间存在一个突出部分，其产生的涡流会导致风噪声较大；而新设计中外后视镜与前柱之间并没有突出部分，其产生的涡流不会导致风噪声较大。

另外，还可以看出，当外后视镜造型由前凸后凹变为平直时，其风噪声也会有明显降低。但如果是后凸或前凹的造型，则其风噪声反而会变大。

笔者观点

汽车外后视镜的造型设计需要兼顾气动性能和风噪性能，在造型设计阶段需综合考虑对车辆整体气动性能的影响，并在实际工程中验证其设计的合理性，以避免过度设计带来的风噪性能恶化。

在研究中发现，汽车外后视镜造型对其气动性能的影响较小，而对其风噪性能影响较大，在实际工程中应注意把握该设计的关键控制点，避免过度设计带来的不利影响。

在实际工程中，可以通过合理布置后视镜的位置和角度来提升其气动性能和风噪性能，并兼顾外观与功能上的要求，如设置挡风玻璃下沿距后视镜边缘一定距离处的辅助后视镜或在车身外部设置外置扰流板等。

此外，还可以通过使用具有减振降噪功能的后视镜材料来改善外饰造型对其气动性能和风噪性能的影响。

参考文献

1>刘俊：汽车空气动力性能。北京：机械工业出版社，2017年。

2.孙金辉：汽车风阻对整车气动特性的影响及优化策略。《汽车工程》，2018,44 (5)：65-68。

3.周宇：基于 CFD的车身造型与气动噪声研究。《现代工业技术》，2018,22 (1)：39-41。