10.16638/jki.1671-7988.2021.05.037
苏瑞，李晶，于潮，张贺林
（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300399）
摘要：为了进一步探究关门压耳感的影响因素，进而解决目前车门关闭时车内压力过大的问题。利用计算流体力学软件Star-ccm+的重叠网格技术分析关门时不同车门开度对车内峰值压力的影响。将不同车门开度的瞬时速度作为仿真计算的输入，得到该车型关门耳压计算值，并通过试验测试相同状态下实际关门耳压。仿真结果与测试结果对比显示车门开度35°与70°状态下得到的关门耳压基本一致，车门开度对关门时车内峰值耳压影响较小。在以后的测试和仿真模拟过程中可以快速提高仿真研究的进度和工作效率。 关键词：压耳感；峰值压力；车门开度；重叠网格；瞬时速度
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)05-129-05
Effect of Door Opening on Peak Pressure of Ear Position in the Car When Closing
Su Rui, Li Jing, Yu Chao, Zhang Helin
（China Automotive Technology & Research Center Co., Ltd., Tianjin 300399）
Abstract: In order to further explore the influencing factors of the sense of pressure when closing the door, and then solve the problem of excessive pressure in the car when the door is closed. The effect of different door openings on the peak pressure in the car when closing the door was analyzed using the overlapping grid technology of the computational fluid dynamics software Star-ccm+. The instantaneous speed of different door openings is used as the input of the simulation calculation to obtain the calculated door closing ear pressure value, and the actual door closing ear pressure is tested through the test. The comparison between the simulation results and the test results shows that the door opening ear pressures obtained in the state of the door openings of 35° and 70° are basically the same, and the door opening degree has little effect on the peak ear pressure in the vehicle when the door is closed. In the future testing and simulation process, the progress and efficiency of simulation research can be quickly improved.
Keywords: Ear pressure; Peak pressure; Door opening; Overset mesh; Instantaneous speed
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)05-129-05
1 前言
关门耳压感是目前车型普遍存在的问题。车门关闭时大量气体被车门卷入乘员舱内，受汽车本身泄压通道布置及泄压面积的限制，卷入的气体不能及时排出车外，导致车内压力增大[1]。关门压耳感问题的分析过程为瞬态分析，需要占用大量的计算资源，如果能够在现有仿真分析方法基础上以较小的车门开度作为主要分析的状态可以大大提高研究进度，同时也在一定程度上简化测试步骤，提高工作效率。
当前，已有关门耳压优化的工程应用实例，但是进一步研究关门耳压的影响因素，进而提高优化效率，缩短项目周期是十分有必要的。Hyung-il[2]根据实际车辆的几何数据、物
作者简介：苏瑞，就职于中国汽车技术研究中心有限公司。
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汽车实用技术
130 理数据和车门关门虚拟反作用力与车门关闭时间数据建立了车门关门过程的数值模型来预测最小关门速度。于剑泽等[3]利用 CFD 软件建立汽车模型进行考虑气压阻效应的车门关闭力仿真分析，通过对比试验结果到一种能准确求解车门关闭气压阻效应的新方法；Li 等[4]以重型卡车作为研究对象得到了车舱内压力随时间的变化，并指出采用降低关门速度和增大泄压孔的方法可以有效降低汽车内部压力；李超帅等
[5]
通过能量转化的理论分析，针对汽车尾门提出了一种通过可测试量求解不可测试量的气压阻效应耗能计算方法；陈枫
[6]
研究了车门关闭过程的流场特征和压强变化，并研究不同
泄压能力的泄压阀对关门耳压的影响。研究表明，人体听觉器官由外耳、中耳和内耳三部分组成[7]，其中中耳主要负责感知外界气压变化。当压力值超过400-670Pa 时，鼓膜产生胀感，人耳承受的最大负压为23kPa ，当超过这一值时鼓膜可能穿孔[8]。通常车门关闭引起的车内压力变化介于100-500Pa 之间，压力虽远小于人耳可承受最大压力，但也超出了人耳舒适型范围。因此，尽快解决压耳感问题是十分有必要的。据统计，正常关门速度在0.8m/s-1.3m/s 范围内，但是针对关门耳压研究的车门开度没有做出具体的要求。
本研究采用Star-ccm+软件的重叠网格技术实现车门的旋转，通过有限元建模得到1:1的全尺寸网格模型。通过仿真与试验相结合的方法研究不同车门开度对关门时车内峰值压力的影响，为以后的研究优化提供理论基础。
2 仿真计算
2.1 网格模型
为了仿真计算的有效性，本次研究以实车数模为基础建立1:1模型。保留原车气流通道分布及各个通道过孔面积，并且忽略动力总成、传动系统、电气系统以及仪表盘等对车内压力影响较小的因素，对车门内饰和泄压通道等结构进行细化处理，保证仿真的精度。
模型主要分为两个部分，主域为直径8 m 的半球体与车身内饰、外CAS 间围成的区域，如图1所示；从域为车门周围长方体结构围所成的区域，如图2所示。
图1 主域形状及尺寸
主域要求半球体外壳不影响计算域内流体流动，模拟空旷的测试环境，网格尺寸在5mm-200mm 范围内；从域要求长方体结构与车门外表面保持一定距离（大于4个网格尺寸），网格尺寸在1mm-20mm 范围内。
图2 从域形状及尺寸
重叠网格一般用于运动部件的或运动状态不同的两个或多个部件的问题分析。本研究采用重叠网格技术主要实现车门的旋转以及车门旋转过程中主域与从域之间的信息传递。重叠网格需多层加密，如图3所示：
图3 重叠网格
2.2 湍流模型
仿真采用大涡模拟Large Eddy Simulation （LES ）[9]，不考虑温度对结果的影响，在计算过程中把湍流瞬时运动量通过滤波方法分成大尺度运动（大涡）和小尺度运动（小涡），大尺度运动通过微分方程直接计算，小尺度运动对大尺度运动的影响通过亚格子雷诺应力表征。该模拟方法可以描述小尺度湍流流动，但是计算量小于DNS [10]（Direct Numerical Simulation ）。滤波后不可压缩的紊流运动控制方程为Navier-Stokes （N-S ）方程：
（1）
式中：是拉伸率张量；τij 是亚格子应力；γ是运动学粘性系数；ρ是流体密度；ui 、uj 和p 表示滤波后速度分量和压力。可以表示为：
（2）
亚格子应力采用Smagorinsky 模型[63]求解，其表达式如下：
（3）
其中亚格子粘涡系数γT 可以表示为：
（4）
式中：Δ是过滤尺度；Cs 是无纲常量，称为Smagorinsky 系数，取0.28。大涡模拟收敛性好，在网格数量较多的情况优先考虑。 2.3 速度输入
当前，关门耳压相关研究采用的关门速度大多为 1.2±
苏瑞 等：车门开度对关门时车内人耳位置峰值压力的影响
131
0.01m/s 。本研究针对车门一档位（35°）和最大开度（70°）两种状态进行仿真分析。通过试验测试得到不同开度的瞬时关门速度，如图4所示：
图4 不同开度关门瞬时速度
两种状态的关门速度均为1.2m/s ，并且在关门瞬间两条曲线的速度衰减率基本一致。其中，一档位的关门速度曲线受收限位器档位的影响，未出现中间的波动。 2.4 压耳感仿真
仿真计算以驾驶员左耳和右后乘员左耳位置为压力监测点，如图5所示。仿真模拟真实的测试环境，研究表明，受手车内气流流动特性影响，关左前门时驾驶员左耳和右后乘员左耳感受到的压耳感最明显。选定压力监测点后，导入速度曲线，分别计算车门开度一档位与最大开度两种状态的关门耳压。瞬时速度的采样频率为1kHz ，仿真计算的时间步长设置为2ms ，充分保证计算的准确性。
图5 压力监测点
2.5 仿真结果
车门一档位位置以1.2m/s 的速度关闭时驾驶员左耳耳压为172.3Pa ；右后乘员左耳耳压169.7Pa 。监测点压力变化曲线如图6所示：
（a ）驾驶员左耳耳压
（b ）右后乘员左耳耳压
图6 车门一档位监测点压力变化
由图可知，监测点压力在0.8s 左右达到峰值。在关门过程中，乘员耳压在车门关闭瞬间会急剧增加至峰值而后稳定衰减，这与实际和推测结果相符，并且驾驶员位置耳压较右后位置先达到峰值，这与关门过程车内流场特性有关。
车门最大开度位置以1.2m/s 的速度关闭时驾驶员左耳耳压为173.4Pa ；右后乘员左耳耳压171.5Pa 。监测点压力变化曲线如图7所示：
（a ）驾驶员左耳耳压
（b ）右后乘员左耳耳压
图7 车门最大开度位置监测点压力变化
由图可知，监测点压力在1.25s 左右达到峰值。由于较大开度，车门由初始位置至完全关闭的过程所需时间更长，但压力变化趋势与车门开度一档位时变化一致。
对比不同车门开度的仿真结果，驾驶员左耳耳压相差1.1Pa ，误差为0.6%；右后位置左耳耳压相差1.8Pa ，误差为
1.1%。计算结果显示关门速度相同时，车门开度对关门时车内峰值压力几乎没有影响。
汽车实用技术
132 3 试验测试
为了进一步验证仿真结果的准确性，对该车型进行车门开度一档位和最大档位关门耳压测试。关门耳压测试过程可以采集瞬时关门速度也可监测车内压力变化，每组测试结果与车门转速相对应。试验测试针对车门关门速度为1.2m/s 的工况进行测试。关门速度大小的定义取决于车门经过速度监测点时的瞬时速度，如果测试过程中车门转动经过监测点的速度为1.2m/s 。那么测试得到的峰值压力为1.2m/s 速度下的关门耳压。 3.1 耳压监测设备
试验测试车型与仿真数模中车型一致，采用专用的耳压测试设备人工头（最大量程±500Pa ，测量精度0.1Pa ，采样间隔为5ms ），如图8所示：
（a ）驾驶员左耳 （b ）右后乘员左耳
图8 耳压测试设备及监测点位置
3.2 试验步骤
（1）测试车辆准备。将测试车辆停放在水平、宽敞的空间，不影响车门正常开闭，环境温度在25℃左右。
（2）检查车辆状态。测试前确保车窗及车辆除测试车门外的其他车门处于关闭状态；车内空调系统调至内循环；清理车内杂物；确保座椅调节到正常乘坐位置，以减小测量误差。
（3）测试设备准备。将关门速度测试仪关门能量测试仪布置，测量车门的旋转半径与速度半径。将关门耳压测试设备固定在驾驶员及右后乘员位置，监测相应位置的压力变化。在进行关门耳压测试前还进行了试关门，确保关门过程无其他外界影响因素，避免对测试结果产生干扰。
（4）测试。测试前将车门打开至限位器一档位位置和最大档位，每种状态测量三次并取平均值。
（5）设备整理。实验测试完毕，将不同测试设备分别整理完毕放归原位。测试车辆停放至停车位。
（6）数据整理。关门耳压测试采用手动关门方式，手动关门时关门速度大小具有随机性，因此需要从每组数据中筛选出所需数据。
4 结果对比
4.1 耳压测试值
经测试，车门处于一档位时监测点压力分别为驾驶员耳
压167.7Pa ，右后左耳耳压171.6Pa ；车门处于最大档位时监测点压力分别为驾驶员耳压170.5Pa ，右后左耳耳压175.3Pa ，车门开度不同对关门时驾驶员位置峰值压力差为2.8Pa ；右后位置峰值压力差为3.7Pa ，测试结果显示车门开度对关门时车内峰值压力几乎没有影响。 4.2 仿真与实验对比
通过仿真计算结果可知不同车门开度下测得的监测点峰值压力基本一致。为进一步验证仿真结果的准确性和一致性，将仿真结果与同状态下的测试值进行对比。车门处于一档位的结果对比如图9所示：
（a ）驾驶员左耳耳压
（b ）右后乘员左耳耳压
图9 车门一档位位置监测点压力对比图
对比结果显示，仿真结果与测试得到的监测点压力变化趋势基本一致。当车门处于一档位时驾驶员位置压力的计算
值与测试值相差4.6Pa ；右后位置压力的计算值与测试值相差1.9Pa ，误差均在3%以内，结果一致性较好。
车门处于最大档位的结果对比如图10所示：
（a ）驾驶员左耳耳压
车门限位器苏瑞 等：车门开度对关门时车内人耳位置峰值压力的影响
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（b ）右后乘员左耳耳压
图10 车门最大开度位置监测点压力对比图
对比结果显示，仿真与测试结果压力变化趋势基本一致，1.25s 左右压力达到峰值。当车门处于最大开度时驾驶员位置压力的计算值与测试值相差2.9Pa ；右后位置压力的计算值与测试值相差3.8Pa ，误差均在3%以内，结果一致性较好。
5 结束语
本文基于现有关门耳压研究方法探究车门开度对关门时车内峰值压力的影响。研究过程针对车门在一档位和最大档位时以1.2m/s 的关门速度关门的工况，并与测试结果进行了对比。结果显示相同关门速度，同一监测点的峰值耳压与车门开度无关。车门开度35°和70°得到的车内压力基本相同，误差在3%以内。并且仿真计算结果与试验测试结果一致性较好。因此，在以后的研究过程中可以以车门一档位位置作为主要研究状态，同时也可以为汽车关门耳压计算和优化提供一定的参考。
参考文献
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