胡忠輝，邢英金，程清波，梁正偉

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

1 概述

目前，在風(fēng)扇仿真中多使用 MRF域方法，由于扇葉模型的復(fù)雜性及網(wǎng)格處理精度問(wèn)題，某些工況仿真準(zhǔn)確性降低；PQ方法簡(jiǎn)化了風(fēng)扇模型，通過(guò)模擬壓升來(lái)代替扇葉作用，減少由于扇葉精度低對(duì)仿真結(jié)果的影響。本文將風(fēng)扇PQ與MRF域仿真結(jié)果和單體試驗(yàn)對(duì)比，研究?jī)煞N方法的仿真精度，為整車(chē)開(kāi)發(fā)初期機(jī)艙熱管理CFD分析提供更準(zhǔn)確的計(jì)算模型[1,2]。

2 模型建立與數(shù)值計(jì)算

2.1 幾何模型

散熱器風(fēng)扇由扇葉、框架、電機(jī)等組成，該風(fēng)扇直徑為440mm，7扇葉，導(dǎo)入 STAR-CCM+中進(jìn)行處理，分別建立風(fēng)扇單體風(fēng)洞模型和整車(chē)模型。

2.2 仿真方法

2.2.1 PQ方法

通過(guò)在STAR-CCM+中建立Fan-interface面，零厚度且可為通過(guò)此面流體提供壓升的模型，此面保留風(fēng)扇中心電機(jī)部分，如圖 1，之后在其屬性設(shè)置中賦入風(fēng)扇單體性能試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)扇PQ曲線。

圖1 Fan-interface面

2.2.2 MRF域方法

MRF域通過(guò)穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行風(fēng)扇模擬，該方法需要扇葉詳細(xì)的 CAD數(shù)據(jù)，需將旋轉(zhuǎn)區(qū)域單獨(dú)分割，與其他區(qū)域進(jìn)行interface連接，其網(wǎng)格并非真實(shí)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系體現(xiàn)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)區(qū)域的效果，把動(dòng)量源加載到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所掃過(guò)區(qū)域的網(wǎng)格。

3 風(fēng)扇單體試驗(yàn)及仿真對(duì)比

在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行單體試驗(yàn)，使用“定靜壓”的方式測(cè)量風(fēng)量，設(shè)定靜壓值，PID儀表讀取當(dāng)前靜壓，調(diào)節(jié)輔助風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使當(dāng)前靜壓值達(dá)到設(shè)定值，靜壓穩(wěn)定后，計(jì)算出測(cè)試風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

在2300rpm工況下，將PQ、MRF域方法采用定流量的仿真值與風(fēng)扇單體試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2：

圖2 PQ、MRF域方法與單體試驗(yàn)靜壓對(duì)比

風(fēng)扇在轉(zhuǎn)速2300rpm下，MRF域方法靜壓為0、40、80 Pa時(shí)仿真精度較高，隨著壓力增加，誤差逐漸增大[3]。采用MRF域仿真誤差整體大于PQ方法，風(fēng)扇模型精度及MRF域旋轉(zhuǎn)區(qū)域的建立方式都是造成誤差的原因。PQ方法輸入試驗(yàn)測(cè)得的PQ曲線，軟件通過(guò)插值法得到工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致 0Pa誤差大，但中間數(shù)值誤差很小。PQ方法擺脫了對(duì)扇葉形狀的依賴(lài)，試驗(yàn)PQ數(shù)據(jù)足夠精確時(shí)，精度高于MRF域方法。

4 PQ與MRF域機(jī)艙流場(chǎng)分析

圖3（a）和（b）分別為PQ和MRF域仿真60kph機(jī)艙風(fēng)扇后流線示意圖。PQ仿真，提升通過(guò) interface面流體的壓升，流體方向軸向平行流出，如圖3（a）。MRF域仿真，旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)受扇葉影響，在扇葉區(qū)域風(fēng)速高，遠(yuǎn)離扇葉區(qū)域風(fēng)速低，風(fēng)扇出口流體與水平方向呈一定夾角，且流動(dòng)呈螺旋狀趨勢(shì)，如圖3（b），此流動(dòng)狀態(tài)與理論較為符合。

圖3 60kph機(jī)艙風(fēng)扇后流線示意圖

5 結(jié)論

通過(guò)分析對(duì)比風(fēng)扇PQ和MRF域方法，得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)扇PQ單體仿真精度較高，可用于整車(chē)初期的仿真評(píng)價(jià)；

（2）單體仿真MRF域整體誤差比PQ方法略大，且低靜壓精度高，隨靜壓增大誤差增大；

（3）整車(chē)仿真中風(fēng)扇后的流線，PQ呈水平趨勢(shì)，MRF域呈螺旋狀更接近真實(shí)流動(dòng)情況。