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(一汽海馬汽車有限公司 整車集成部,?？?570216)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的作用是加速空氣流動(dòng),使得散熱器、冷凝器、中冷器等散熱性能提高,因此，冷卻風(fēng)扇性能的優(yōu)劣決定著汽車散熱系統(tǒng)的好壞[1].風(fēng)扇的氣動(dòng)性能參數(shù)包括流量、靜壓、功率及效率等.工程上一般使用風(fēng)扇性能試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn).氣動(dòng)性能試驗(yàn)?zāi)軌虻玫斤L(fēng)扇不同工況下的氣動(dòng)性能,便于風(fēng)扇的選型、優(yōu)化和對(duì)比[2].但是性能試驗(yàn)無法得到風(fēng)扇流場(chǎng)的微觀氣動(dòng)特征,且需要將風(fēng)扇實(shí)際生產(chǎn)出來,導(dǎo)致效率低、成本高[3].CFD仿真分析克服了性能試驗(yàn)的這些缺點(diǎn),為風(fēng)扇的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)及測(cè)試提供了一種更方便、經(jīng)濟(jì)的方法[4].

1 FE模型搭建

1.1 風(fēng)扇氣動(dòng)性能試驗(yàn)

為了使得搭建的FE模型與氣動(dòng)性能試驗(yàn)具有很強(qiáng)的對(duì)比性,必須對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試原理進(jìn)行分析.

圖1 風(fēng)扇氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 Aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

測(cè)試風(fēng)扇固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架尾端的出風(fēng)口,風(fēng)扇通過自身的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),把風(fēng)從實(shí)驗(yàn)臺(tái)方形腔體中抽出并排入實(shí)驗(yàn)室內(nèi).實(shí)驗(yàn)時(shí),通過空速管測(cè)試風(fēng)扇抽出的風(fēng)量,同時(shí)，通過壓力變送器測(cè)試風(fēng)扇入口(實(shí)驗(yàn)臺(tái)架方腔內(nèi))前端某處的靜壓,而風(fēng)扇的軸功率則通過測(cè)試其自身驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電流及電壓換算獲得.

圖2 風(fēng)扇氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架原理示意圖Fig.2 Principle figure for aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

實(shí)驗(yàn)時(shí),通過控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)架前端鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量使得風(fēng)扇入口的壓力變化,從而測(cè)得不同壓力下風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率等.

1.2 FE模型搭建

從風(fēng)扇氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)可知,風(fēng)扇的入口是人為控制的壓力入口,入口處的空氣流調(diào)整線網(wǎng)，保證了入口處壓力變送器位置空氣流的均勻性及壓力的穩(wěn)定性.因此，入口模型可以用一個(gè)覆蓋風(fēng)扇的長(zhǎng)方體,其長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，以保證從入口流入的空氣流已經(jīng)充分發(fā)展,流動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定.

表1 風(fēng)扇性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of the fan performance

圖3 計(jì)算域FE模型Fig.3 Computational domain and FE model

圖4 風(fēng)扇FE模型Fig.4 FE model of cooling fan

風(fēng)扇排出的氣流是直接流入實(shí)驗(yàn)室內(nèi),這相當(dāng)于一個(gè)自由出口,因此，風(fēng)扇出口設(shè)置為一個(gè)零壓力出口.如果直接在風(fēng)扇出口設(shè)置成零壓力出口,出口處的壓力梯度將會(huì)非常大,仿真結(jié)果失真.因此,在出口處設(shè)置一個(gè)5 000 mm×3 000 mm×2 600 mm的長(zhǎng)方體域,以模擬自由出口.

2 仿真模型選擇及參數(shù)設(shè)置

2.1 仿真模型選擇

本文使用的仿真軟件是汽車行業(yè)常用的商業(yè)軟件Star CCM+,該軟件具有良好的計(jì)算精度.本文研究的空氣流動(dòng)屬于低速流動(dòng)范疇(即Ma<0.3),空氣的壓縮性接近零,因此，選擇常密度氣體模型,氣體密度為試驗(yàn)測(cè)試值1.185 kg/m3.因計(jì)算模型中包含有風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn),湍流模型選擇考慮旋轉(zhuǎn)的RealizableK-ε模型.壓力、動(dòng)量、湍流耗散率等均采用二階迎風(fēng)格式離散[5].

2.2 風(fēng)扇模擬方法

在Star CCM+中,對(duì)于風(fēng)扇的模擬有3種方式,分別為滑移網(wǎng)格法、風(fēng)扇動(dòng)量源法、多重參考系法[6].滑移網(wǎng)格法適用于瞬態(tài)計(jì)算,風(fēng)扇動(dòng)量源法無風(fēng)扇實(shí)體模型,是依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)量的模擬,出風(fēng)不真實(shí).

本文中風(fēng)扇有實(shí)體模型,且為穩(wěn)態(tài)計(jì)算,因此，采用多重參考系模型.該模型的基本思想是把風(fēng)扇內(nèi)流場(chǎng)簡(jiǎn)化為葉片在某一位置的瞬時(shí)流場(chǎng),將非定常問題用定常方法計(jì)算.轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)保持靜止,在慣性坐標(biāo)系中以作用的科氏力和離心力進(jìn)行定常計(jì)算,而定子區(qū)域是在慣性坐標(biāo)系里進(jìn)行定常計(jì)算.在兩個(gè)子區(qū)域的交界面處慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù),保證交界面的連續(xù)性,達(dá)到用定常計(jì)算來研究非定常問題的目的[2].

2.3 參數(shù)設(shè)置

入口邊界條件:為與實(shí)驗(yàn)設(shè)置保持一致,設(shè)定入口為質(zhì)量流入口(以實(shí)驗(yàn)測(cè)試的質(zhì)量流作為輸入),并監(jiān)測(cè)風(fēng)扇入口處的壓力數(shù)值.

出口邊界條件:計(jì)算模型出口設(shè)置為壓力出口,壓力值為0.

壁面邊界條件:其他邊界都設(shè)置為默認(rèn)的無滑移壁面邊界條件,但風(fēng)扇出口域的上、左、右壁面設(shè)置為滑移壁面;風(fēng)扇區(qū)域設(shè)置旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系,并按照試驗(yàn)數(shù)值設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,對(duì)未旋轉(zhuǎn)的靜止壁面設(shè)置為絕對(duì)靜止.

3 仿真結(jié)果及對(duì)標(biāo)分析

3.1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果是否收斂需要監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行判斷,本文重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)有計(jì)算域出口流量、風(fēng)扇入口壓力,因此，分別監(jiān)測(cè)了這兩個(gè)參數(shù)及殘差,如圖5～圖7所示.

圖5 殘差監(jiān)測(cè)Fig.5 Plots of residual

圖6 計(jì)算域出口流量監(jiān)測(cè)Fig.6 Plot of mass flow in outlet

圖7 風(fēng)扇入口壓力監(jiān)測(cè)Fig.7 Plot of pressure in outlet

圖8和圖9是計(jì)算域流線圖.由圖可知,空氣被風(fēng)扇從入口域方腔中吸出,然后旋轉(zhuǎn)加速流入出口域自由方腔中.

圖8 計(jì)算域流線圖Fig.8 Streamline in computational domain

圖9 風(fēng)扇周邊流線局部視圖Fig.9 Streamline in the vicinity of the cooling fan

如圖10所示,風(fēng)扇吸風(fēng)面是大量的負(fù)壓區(qū)域,在葉片的前緣與外圈交接處,壓力最小.如圖11所示,風(fēng)扇壓風(fēng)面是大量的正壓區(qū),即風(fēng)扇的做功區(qū)域,在葉片的前緣壓力最大.風(fēng)扇葉片前緣靠外徑方向區(qū)域正壓、負(fù)壓相差較大,是風(fēng)扇回流的主要區(qū)域,即功率損失的主要區(qū)域.

圖10 風(fēng)扇吸風(fēng)面壓力云圖Fig.10 Surface pressure for windward side of cooling fan

3.2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

風(fēng)扇的主要?dú)鈩?dòng)性能指標(biāo)是風(fēng)量、壓力、功率、效率等,因此，以它們?yōu)閷?duì)比對(duì)象,對(duì)比結(jié)果如表2所示.

圖11 風(fēng)扇壓風(fēng)面壓力云圖Fig.11 Surface pressure for leeward side of cooling fan

表2 風(fēng)扇氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比Tab.2 Comparison between the test and the simulation of the fan performance

由圖12和圖13所示,實(shí)驗(yàn)與仿真的風(fēng)扇壓力流量曲線、風(fēng)扇效率流量曲線趨勢(shì)基本一致,且在流量為1.0～1.4 kg/s范圍內(nèi),即風(fēng)扇靜壓在50～90 Pa之間.實(shí)驗(yàn)值與仿真值很接近,在該工作壓力下,風(fēng)扇流量誤差在8%以內(nèi).

圖12 風(fēng)扇壓力流量曲線Fig.12 Pressure-flow curve of cooling fan

圖13 風(fēng)扇效率流量曲線Fig.13 Efficiency-flow curve of cooling fan

通過統(tǒng)計(jì)該車型風(fēng)扇在怠速及爬坡工況的風(fēng)扇靜壓,得出其工作靜壓在60～80 Pa之間(仿真精度在5%以內(nèi)),而高速工況風(fēng)扇對(duì)整個(gè)散熱模塊影響很小,甚至風(fēng)扇關(guān)閉不工作,故未做統(tǒng)計(jì).

4 結(jié)語

本文運(yùn)用Star CCM+搭建了風(fēng)扇性能試驗(yàn)仿真平臺(tái).通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,得出兩者氣動(dòng)性能的變化趨勢(shì)一致,且在風(fēng)扇的真實(shí)工作壓力范圍內(nèi),仿真精度在可接受的范圍內(nèi).證明了本文搭建的風(fēng)扇模型是可靠的,該模型可用于三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)的模擬,同時(shí),也可為風(fēng)扇的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

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