郭浪 卓文濤 張鑫

摘 要：介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能CFD仿真方法，進(jìn)行流場模擬并對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真可靠性。結(jié)合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)原風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化后風(fēng)扇流量和效率略有增加，消耗功率和噪聲均有所降低，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇;CFD;降噪優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U464.138+.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-40-03

Abstract： In this article， The CFD modeling and solution techniques for estimating aerodynamic performances of engine cooling fans are presented， the method is developed to be valuable reference by comparing the CFD results and test. The optimization design is analyzed by combining the structural parameters of the fan profile， The comparison of fan performance before and after the optimization show that air volume and the efficiency of the optimized fan increase slightly， while the power consumption and noise decrease. The performance of engine coo ling fan designed with the method proposed meets the design requirements.

Keywords： Engine cooling fan; CFD; Noise reduction optimization

CLC NO.： U464.138+.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-40-03

前言

隨著國家法規(guī)對(duì)汽車降油耗要求的不斷提高，同時(shí)消費(fèi)者對(duì)汽車動(dòng)力性能和駕乘空間的追求，乘用車廣泛應(yīng)用帶集成排氣設(shè)計(jì)的小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性能提高和降低油耗，同時(shí)整車設(shè)計(jì)通過壓縮前艙布置空間縮短前懸來增加乘客艙空間。因此需要通過冷卻模塊帶走的熱量也逐漸增加，而前艙空間布置更加緊湊復(fù)雜，空氣流動(dòng)阻力增大，因此對(duì)冷卻風(fēng)扇性能要求日益提高。

既滿足散熱需求又能保證工作噪聲較低的散熱風(fēng)扇無疑在市場上更具競爭力。因此，低噪聲高性能的冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

本文以某型乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為例，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，運(yùn)轉(zhuǎn)工況為2600rpm，靜壓200pa，流量2500m?/h，麥克風(fēng)測試位置為進(jìn)風(fēng)口1m處。

冷卻風(fēng)扇主要由護(hù)風(fēng)罩、直流電機(jī)、風(fēng)葉、風(fēng)門組成，為了減少仿真分析時(shí)的計(jì)算工作量，在對(duì)仿真分析結(jié)果影響不大的情況下，將風(fēng)扇輪轂上的安裝孔、風(fēng)門開槽簡化為實(shí)體，另外由于開發(fā)流程不考慮散熱問題，電機(jī)內(nèi)部做填充實(shí)體，并對(duì)一些特別細(xì)小的曲面進(jìn)行簡化處理。

1 風(fēng)扇分析及驗(yàn)證

1.1 CFD流場分析

1.1.1 CFD仿真模型的建立

將風(fēng)扇簡化三維模型在UG中以x_t格式導(dǎo)入到Ansys Mesh中進(jìn)行前處理，將風(fēng)扇流體仿真模型分為入口區(qū)、過渡區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)及出口區(qū)4個(gè)部分，入口區(qū)和出口區(qū)按照風(fēng)扇性能試驗(yàn)方法建立?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇仿真模型的復(fù)雜性，在Ansys Mesh中，對(duì)流體區(qū)域采用四面體網(wǎng)格分區(qū)劃分的方法，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)網(wǎng)格尺寸最小，管道區(qū)網(wǎng)格稍大，入口區(qū)和出口區(qū)網(wǎng)格最大。在梯度變化大的地方，如在風(fēng)扇扇葉邊緣對(duì)其進(jìn)行加密，以保證網(wǎng)格精度。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

1.1.2 邊界條件設(shè)定

在風(fēng)扇流道中流動(dòng)的介質(zhì)是空氣，將進(jìn)口面設(shè)為壓力入口條件，給定流動(dòng)總壓為大氣壓力，出口面設(shè)為壓力出口條件，自由出口沒有附加壓力作用，相對(duì)大氣壓力為0pa。旋轉(zhuǎn)區(qū)以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)速度2600rpm，其中扇葉設(shè)為移動(dòng)壁面條件。旋轉(zhuǎn)區(qū)與過渡區(qū)之間采用interface設(shè)置傳遞不同計(jì)算域數(shù)據(jù)。

冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流體為不可壓縮氣體，流動(dòng)中無熱量交換，不考慮能量守恒方程，只考慮連續(xù)性方程及三維N-S方程。內(nèi)部流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用定常計(jì)算。求解采用RNG K-ε模型，并采用SIMPLE壓力修正算法來求解速度與壓力的耦合，計(jì)算時(shí)采用亞松弛因子，設(shè)置進(jìn)出口面的質(zhì)量流量為監(jiān)測量，進(jìn)口和出口湍流度均設(shè)為0.5%，設(shè)置殘差為1×10-4。當(dāng)流量趨于一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)視計(jì)算結(jié)果收斂。

1.1.3 流場結(jié)果分析

收斂后提取風(fēng)扇在靜壓點(diǎn)的流量、扭矩等性能參數(shù)，對(duì)比CFD流量-靜壓曲線與試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，常規(guī)工作區(qū)間絕對(duì)誤差基本不超過5%。由此可驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果精度良好，可靠性較高，可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2 風(fēng)葉優(yōu)化分析

目前風(fēng)扇優(yōu)化方面，關(guān)于葉片幾何尺寸、葉片安裝角、葉片數(shù)、風(fēng)扇直徑、輪轂比等因素的研究較多[2-4]。對(duì)于冷卻風(fēng)扇降噪，除采用消聲、隔聲或吸聲措施外，針對(duì)風(fēng)扇本身氣流參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)也有大量的研究，但針對(duì)本項(xiàng)目過程中風(fēng)扇，由于風(fēng)扇幾何參數(shù)、冷卻模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)噪聲間的關(guān)聯(lián)規(guī)律十分復(fù)雜，增加了上述降噪措施的應(yīng)用難度，同時(shí)會(huì)引起一定的氣動(dòng)性能損失。

根據(jù)氣動(dòng)聲學(xué)Lighthill波動(dòng)方程，各種生源與空氣流速有以下關(guān)系：

單極子聲源聲功率：

偶極子聲源聲功率：

四極子聲源聲功率：

其中：W—聲功率;ρ—空氣密度;L—特征長度;v—空氣流速;c—聲速。

由公式可以看出：聲功率與流速指數(shù)次方成比例關(guān)系。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的聲功率與葉輪圓周速度的6次方成正比，選用高效葉柵、減少氣流損失，增大葉片寬度、降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是最有效降低風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的途徑之一[5-6]。

翼型葉片具有機(jī)翼型的橫斷面，借鑒航空中空氣動(dòng)力特性設(shè)計(jì)良好的翼型用于風(fēng)機(jī)葉片截面上，同時(shí)將翼型設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行移植、改進(jìn)，用于設(shè)計(jì)高效風(fēng)機(jī)翼型，研制出適用于冷卻風(fēng)扇用的翼型和風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以大幅改善風(fēng)扇的效率和降低噪聲。

本文采用加大葉片翼型彎度，增加葉輪負(fù)荷以滿足性能要求，同時(shí)為補(bǔ)償風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降帶來的做功能力損失。風(fēng)葉翼型優(yōu)化前后最大彎度由3.2%增大至4.8%。

彎掠動(dòng)葉和傳統(tǒng)徑向動(dòng)葉相比可以較大幅度提高氣動(dòng)效率、降低氣動(dòng)噪聲，但同樣最高效率點(diǎn)的壓頭有所降低，因此根據(jù)優(yōu)化后翼型，維持葉片安裝角，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇前彎曲線，在較低轉(zhuǎn)速下可保持最高效率點(diǎn)靜壓，整體功率維持不變。

優(yōu)化后風(fēng)葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示，風(fēng)葉葉片數(shù)、安裝角無變化，葉片彎度和弦長增大。

通過對(duì)優(yōu)化前后風(fēng)扇分析對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化風(fēng)扇200pa工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速大幅降低約300rpm，同時(shí)工作點(diǎn)效率更高、流量性能更好。

為驗(yàn)證風(fēng)扇噪聲性能，制作快速成型樣件對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行噪聲性能測試，分別在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)側(cè)+45°、0°、-45°方向1m距離分別布置麥克風(fēng)，測試結(jié)果如下圖所示：

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)扇扇葉優(yōu)化后的噪聲表現(xiàn)改善非常顯著。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇優(yōu)化噪聲的目的。

同時(shí)將優(yōu)化扇葉的風(fēng)扇更換到整車上面進(jìn)行噪聲的主觀評(píng)估和噪聲測試，主觀評(píng)估結(jié)果噪聲降低明顯噪聲測試結(jié)果如下：

3 結(jié)論

論文以國內(nèi)某款乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為研究對(duì)象，利用UG軟件建立了風(fēng)扇三維實(shí)體模型，用Ansys軟件進(jìn)行了計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，使用FLUENT軟件對(duì)風(fēng)扇性能進(jìn)行了仿真分析，通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了仿真分析結(jié)果的可信性;根據(jù)現(xiàn)有葉片結(jié)構(gòu)，優(yōu)化風(fēng)扇截面翼型，保持翼型厚度不變適當(dāng)增大翼型彎度，并調(diào)整最大彎度位置，可以有效提高翼型升力系數(shù)和升阻比;建立高效彎掠葉片風(fēng)扇模型，通過模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)扇氣動(dòng)效率更高，流量性能更好，同時(shí)在整車試驗(yàn)中，風(fēng)扇噪聲下降約2dB，主觀評(píng)價(jià)明顯改善。

參考文獻(xiàn)

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