邢夢龍，劉佳鑫,，王寶中，蔣炎坤，郭媛媛，路春光

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

冷卻風(fēng)扇是廣泛應(yīng)用于能源、航海、航天、礦山等工程領(lǐng)域的流體輸送機械，它把原動機的機械能變成流體的熱能和動能[1]。工程車用冷卻風(fēng)扇為散熱器提供充足的空氣流量，對車輛動力性能、經(jīng)濟性能起著關(guān)鍵作用。由此可見，冷卻風(fēng)扇的性能優(yōu)劣直接影響到整機性能。

針對冷卻風(fēng)扇性能，國內(nèi)外專家學(xué)者從冷卻風(fēng)扇設(shè)計入手展開研究，北京航空航天大學(xué)周建輝、楊春信采用組合優(yōu)化策略對軸流風(fēng)扇進行了多目標(biāo)優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化的風(fēng)扇較原始方案性能提升了14.5%[2]；M Henner在已有的CFD研究基礎(chǔ)上通過調(diào)整冷卻風(fēng)扇設(shè)計參數(shù)，對其性能進行了改進[3]；Sorensen通過對軸流風(fēng)機進行優(yōu)化，得到將軸流通風(fēng)機的效率放到設(shè)計區(qū)間流量上考慮可以使得風(fēng)機運行更加平穩(wěn)的結(jié)論[4]。

基于以上所得的成果，本文利用數(shù)值仿真方法對某平地機的冷卻風(fēng)扇進行性能模擬，對比仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對其進行重新設(shè)計計算。

1 原風(fēng)扇仿真與實驗驗證

1.1 三維模型

結(jié)合國內(nèi)某款工程上所用平地機，依據(jù)參考文獻[5]建立其冷卻風(fēng)扇仿真模型，如圖1所示。風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：直徑為Φ980 mm，輪轂比為0.45，安裝角為24°。

1.2 預(yù)處理

利用Gambit 2.4軟件對模型進行網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定，采用六面體網(wǎng)格對入口風(fēng)道進行網(wǎng)格劃分，其余部分采用四面體混合網(wǎng)格劃分。對旋轉(zhuǎn)域、風(fēng)道出入口處進行網(wǎng)格加密。加密后模型網(wǎng)格總數(shù)約為525萬，檢查無負網(wǎng)格和扭曲網(wǎng)格。冷卻風(fēng)機C型通道網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1冷卻風(fēng)機C型風(fēng)道模型圖2冷卻風(fēng)機C型網(wǎng)格模型

將整流柵表面、風(fēng)扇和風(fēng)道表面設(shè)定為wall；將風(fēng)道入口設(shè)定為mass-flow-inlet；整流柵與風(fēng)道連接處公共面設(shè)定為兩對interface對；風(fēng)道出口設(shè)定為Pressure outlet；其余內(nèi)部面為interior；旋轉(zhuǎn)域設(shè)定為Rotate-fluid；其余為fluid；空氣密度為1.077 kg/m3。選取SIMPLE數(shù)值算法，標(biāo)準(zhǔn)為k-ε湍流模型。

1.3 結(jié)果分析與實驗驗證

圖3為風(fēng)扇橫截面壓強分布。從圖3中可以看出，在葉片中上部出現(xiàn)高壓區(qū)，同時葉片剛掃掠過的區(qū)域壓強相對較低，這是由于受到扇葉機械作用，使得空氣體積驟降，短時間無法迅速恢復(fù)造成的。

為了驗證仿真方法的正確性，建立如圖4所示的風(fēng)道性能實驗裝置。在風(fēng)道入口A、B處通過壁測孔的方法獲取靜壓、動壓，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩則采用與電動機相連的傳感器測取。

在Fluent中，保持風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定，通過改變進口處質(zhì)量流量對其模型進行數(shù)值仿真，對入口截面全壓、出口靜壓及風(fēng)扇轉(zhuǎn)矩進行提取，并通過以上參數(shù)對風(fēng)扇靜壓、靜壓效率進行計算，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，隨著流量的增大，兩者靜壓值逐漸趨于吻合，流量為2.32 m3/s時最大誤差為8.35%；當(dāng)流量為7.55 m3/s時靜壓效率誤差最大為2.34%。

圖3風(fēng)扇橫截面壓強分布圖4風(fēng)道性能實驗裝置

表1 原風(fēng)扇實驗與仿真性能對比

2 風(fēng)扇設(shè)計與仿真分析

2.1 風(fēng)扇設(shè)計

新風(fēng)扇性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，靜壓為411.64 Pa，全壓為494.5 Pa，體積流量為9.87 m3/s，Clark-y翼型。選用變環(huán)量設(shè)計法對冷卻風(fēng)扇進行設(shè)計計算：

在三維建模軟件UG中建立風(fēng)扇實體模型，具體如圖5所示。

2.2 預(yù)處理

網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置與1.2相同。

2.3 仿真分析與結(jié)果對比

圖6為新風(fēng)扇橫截面壓強分布，由圖6可以看出，對比原風(fēng)扇，兩種風(fēng)扇壓強分布相似，整體分布均勻，可以避免氣流出現(xiàn)徑向流動，從而減小其帶來的能量損失。

圖5新風(fēng)扇三維模型圖6新風(fēng)扇橫截面壓強分布

提取新風(fēng)扇仿真數(shù)據(jù)，具體如表2所示。由表2可以看出，在整個流量區(qū)間，新風(fēng)扇分別在靜壓、靜壓效率上平均提高了0.97%、1.87%，在軸功率上平均降低了3.15%。在設(shè)計目標(biāo)流量處，新風(fēng)扇較原風(fēng)扇在靜壓、靜壓效率分別提升了3.33%、2.15%，軸功率下降了0.46 kW。

表2 原、新風(fēng)扇仿真性能對比

3 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)350馬力平地機所用冷卻風(fēng)扇，利用CFD仿真的方法在風(fēng)道中進行性能模擬，對比了其實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果；采用變環(huán)量設(shè)計法對原風(fēng)扇進行設(shè)計計算，對比兩風(fēng)扇仿真結(jié)果。最終得到以下結(jié)論：

(1) 原風(fēng)扇仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在靜壓、靜壓效率上的最大誤差分別為8.35%、2.34%，均在可接受范圍內(nèi)，因此CFD仿真適用于原風(fēng)扇性能模擬。

(2) 對比兩風(fēng)扇仿真結(jié)果，新風(fēng)扇的靜壓、靜壓效率在整個流量區(qū)較原風(fēng)扇平均分別提升了0.97%、1.87%，軸功率較原風(fēng)扇平均降低了3.15%。當(dāng)流量為9.87 m3/s時，新風(fēng)扇靜壓、靜壓效率分別提升了3.33%、2.15%，軸功率降低了0.46 kW。

參考文獻：

[1] 張玉成,儀登利,馮殿義.通風(fēng)機設(shè)計與選型[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 周建輝,楊春信.航空電子設(shè)備冷卻軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計[J].航空動力學(xué)報,2008,24(3):634-642.

[3] Henner M,Kessaci S,Moreau S.Latest improvements of CFD models of engine cooling axial fan systems[N].SAE Technical Paper,2002-01-1205.

[4] Sorensen D N,Thompson M C,Sorensen J N.Toward improved rotor-only axial fans-part II:design optimization for maximum efficiency[J].ASME J Fluids Eng,2000,122(2):324.

[5] 全國風(fēng)機標(biāo)準(zhǔn)化委員會.工業(yè)通風(fēng)機用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進行性能試驗[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001:124.