王恒宇

摘要：本文采用Realizable k-ε湍流模型對發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行CFD模擬，計(jì)算了轉(zhuǎn)速2000r/min時(shí)的風(fēng)扇流量，研究護(hù)風(fēng)圈對其氣動性能的影響。在此基礎(chǔ)上，利用寬帶聲源模型中的Curle噪聲源模型對風(fēng)扇流場中的噪聲源分布進(jìn)行了分析，并通過瞬態(tài)仿真分析護(hù)風(fēng)圈對風(fēng)扇噪聲頻率特性的影響。分析結(jié)果表明：安裝護(hù)風(fēng)圈可以提高風(fēng)扇11.6%的流量，同時(shí)可以降低氣動噪聲。

Abstract： In this paper， Realizable k-ε turbulence model was used to simulate the cooling fan of engine. The mass flow of the fan at 2000 r/min was calculated， and the effect of shield ring on its aerodynamic performance was studied. Based on this study， the noise source distribution in fan flow field was analyzed by using the Curle sound energy formula of the broadband sound source model. Then，transient simulations for the flow field were done to analyze the frequency performances of fan noise. The analysis results show that installing the shield ring can increase the flow of the fan by 11.9% and reduce the aerodynamic noise.

關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇;護(hù)風(fēng)圈;流量;氣動噪聲

Key words： cooling fan;shield ring;mass flow;aerodynamic noise

0? 引言

近年來汽車工業(yè)在持續(xù)高速發(fā)展，人們對汽車性能的要求越來越高，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)作為保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分也在不斷發(fā)展，冷卻風(fēng)扇是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于加快空氣的流動，提高冷卻效果，其性能對發(fā)動機(jī)冷卻性能有著至關(guān)重要的作用。為滿足冷卻系統(tǒng)的散熱量要求，冷卻風(fēng)扇需提供足夠的空氣流量。目前對冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要依靠試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論與計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，數(shù)值仿真逐漸成為一種高效而可靠的技術(shù)手段，在一定程度上可以取代試驗(yàn)研究，大大縮短設(shè)計(jì)周期，發(fā)動機(jī)風(fēng)扇研究逐漸開始依靠CFD仿真[1-3]。Tobias[4]通過進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與風(fēng)道試驗(yàn)，驗(yàn)證了多重參考系模型（MRF）對發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇氣動性能模擬的準(zhǔn)確性。導(dǎo)風(fēng)罩是汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇中常見的輔助部件，通過分析徑向間隙與風(fēng)扇沉入量對風(fēng)扇性能的影響，可以為風(fēng)扇形式布置提供可靠的指導(dǎo)[5]。

本文針對某車型使用的發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇及其導(dǎo)風(fēng)罩與護(hù)風(fēng)圈，利用流體力學(xué)分析軟件STAR-CCM+建立CFD仿真模型，探究護(hù)風(fēng)圈對風(fēng)量與噪聲的影響。結(jié)合仿真結(jié)果與實(shí)際需要，為發(fā)動機(jī)導(dǎo)風(fēng)罩與護(hù)風(fēng)圈的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。

1? 風(fēng)扇穩(wěn)態(tài)仿真

1.1 流場模型建立

將發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的3D數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行幾何處理，簡化風(fēng)扇輪轂上的復(fù)雜幾何特征，以提高網(wǎng)格質(zhì)量、減少仿真計(jì)算量。建立通流區(qū)模型，為保證導(dǎo)風(fēng)罩位于進(jìn)口區(qū)管道內(nèi)，進(jìn)口區(qū)直徑略大于導(dǎo)風(fēng)罩對角線長度，進(jìn)口區(qū)長度為入口管道直徑的6倍，與大氣相連的出口區(qū)直徑為進(jìn)口區(qū)直徑的4倍。為風(fēng)扇建立旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域，建立導(dǎo)風(fēng)罩圓環(huán)處的空氣流量監(jiān)測面。在Hypermesh中使用三角形單元劃分風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩、護(hù)風(fēng)圈及通流區(qū)的面網(wǎng)格，導(dǎo)出面網(wǎng)格模型。

把面網(wǎng)格模型導(dǎo)入STAR-CCM+軟件，進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格策略，可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高收斂速度。

1.2 邊界條件設(shè)定

設(shè)置入口條件為壓力入口，相對大氣壓的總壓為零;設(shè)置出口條件為壓力出口，相對大氣壓的靜壓為零。導(dǎo)風(fēng)罩、護(hù)風(fēng)圈與其他壁面設(shè)為靜止的無滑移壁面。設(shè)置旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域與通流區(qū)之間的面為交界面。對于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的模擬，采用STAR-CCM+中提供的MRF模型（Multiple Reference Frame），該穩(wěn)態(tài)算法占用計(jì)算資源較少且精度滿足工程需求。在模擬中只需設(shè)定風(fēng)扇運(yùn)動的相對坐標(biāo)系及角速度，風(fēng)扇本身不需要旋轉(zhuǎn)。本文設(shè)定旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的轉(zhuǎn)速為2000r/min。

1.3 物理模型設(shè)定

發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動引起的流體運(yùn)動屬于湍流運(yùn)動，且屬于低馬赫數(shù)流動，可認(rèn)為空氣為不可壓縮的理想氣體。采用穩(wěn)態(tài)定常計(jì)算，忽略重力影響。氣動聲源強(qiáng)弱分布計(jì)算采用寬帶聲源模型中的Curle噪聲源模型。觀察各量的殘差曲線與監(jiān)測面的流量曲線，當(dāng)殘差與流量趨于穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂[7]。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

采用三種網(wǎng)格劃分方案對安裝護(hù)風(fēng)圈情況下的風(fēng)扇進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算風(fēng)扇在轉(zhuǎn)速2000r/min下的流量，三種網(wǎng)格方案的計(jì)算結(jié)果相差在0.5%以內(nèi)，如表1。為減少仿真時(shí)間同時(shí)提高仿真收斂性，本文采用收斂性較好的方案2。

1.5 穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

本文分別對安裝護(hù)風(fēng)圈和未安裝護(hù)風(fēng)圈的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行研究，采用相同的網(wǎng)格劃分方案，設(shè)置相同的邊界條件與轉(zhuǎn)速，通過分析流場內(nèi)部特征，探究護(hù)風(fēng)圈對風(fēng)扇氣動性能的影響。安裝護(hù)風(fēng)圈后風(fēng)扇的流量提高了11.6%，見表2。

圖3為流場y=0截面與風(fēng)扇表面速度矢量圖，氣流在到達(dá)風(fēng)扇之前為規(guī)則的層流流動，在旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的作用下，氣流在扇葉表面的速度最高，風(fēng)扇后的氣流呈螺旋狀向后流動，在風(fēng)扇輪轂后形成一個低速區(qū)，主要是由于風(fēng)扇輪轂阻擋了前方氣流，同時(shí)氣流在風(fēng)扇離心力的作用下向四周分散流動。護(hù)風(fēng)圈減小了風(fēng)扇周圍的通流面積，氣流向四周分散的程度低于無護(hù)風(fēng)圈時(shí)。

圖4為y=0截面壓力云圖，氣流在風(fēng)扇后形成圓錐狀負(fù)壓區(qū)，同時(shí)也是低速區(qū)，這是風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生的主要原因之一。氣流在風(fēng)扇后向四周分散流動，該區(qū)域氣流較少，形成負(fù)壓，隨著距離的增加與氣流的不斷補(bǔ)充，負(fù)壓區(qū)越來越小，直至與周圍的壓力相同，負(fù)壓區(qū)消失。而在護(hù)風(fēng)圈的作用下，減少了部分氣流的分散，形成的負(fù)壓區(qū)相對較小。

圖5是風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩表面聲功率分布圖，可以看到，風(fēng)扇聲功率較大的區(qū)域主要是是扇葉末端，可以看出安裝護(hù)風(fēng)圈的風(fēng)扇扇葉末端聲功率相對較小。這是由于護(hù)風(fēng)圈與風(fēng)扇之間間隙小于導(dǎo)風(fēng)罩與風(fēng)扇之間的間隙，間隙越大，形成的湍流流場越大，流場變化越劇烈，如圖6所示，無護(hù)風(fēng)圈時(shí)間隙中的漩渦更多且漩渦強(qiáng)度更大，引起的氣動噪聲越大。護(hù)風(fēng)圈破壞了風(fēng)扇葉尖與護(hù)風(fēng)罩之間渦流的形成，阻止了部分回流，增加了風(fēng)扇流量同時(shí)減小了氣動噪聲。

2? 風(fēng)扇瞬態(tài)仿真

2.1 瞬態(tài)仿真模型建立

穩(wěn)態(tài)仿真可以定性分析護(hù)風(fēng)圈對風(fēng)扇風(fēng)量的影響與風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)過程中噪聲的形成機(jī)理，進(jìn)行噪聲預(yù)測，為了更準(zhǔn)確地對聲場進(jìn)行仿真，需進(jìn)行瞬態(tài)仿真，研究風(fēng)扇噪聲的頻率特性。

本節(jié)利用STAR-CCM+軟件對風(fēng)扇流場進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，采用穩(wěn)態(tài)仿真中的網(wǎng)格，用動網(wǎng)格模型模擬風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，聲場仿真采用大渦模型（LES），其他設(shè)置與穩(wěn)態(tài)仿真模型相同。模擬流體在0.05s內(nèi)的流動過程，時(shí)間步長設(shè)為5×10-5s，由于計(jì)算資源有限，將每個時(shí)間步長內(nèi)的最大內(nèi)迭代次數(shù)設(shè)置為20次。計(jì)算結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算得到的流場數(shù)據(jù)，采用Ffowcs-Williams &Hawkings（FW-H）噪聲求解模型計(jì)算得出風(fēng)扇的總聲壓級。定義風(fēng)扇表面為噪聲源，噪聲接收點(diǎn)位于其下游軸線上距離風(fēng)扇中心1m處，該點(diǎn)的選取是根據(jù)GB/T2888-91《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法》。

2.2 瞬態(tài)結(jié)果分析

提取噪聲接收點(diǎn)的總聲壓級，通過傅里葉變換得到接收點(diǎn)噪聲頻譜1/3倍頻圖，如圖7所示。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲的最大值出現(xiàn)在低頻段，同時(shí)高頻噪聲聲壓級大于60dB。安裝護(hù)風(fēng)圈的風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪聲低于未安裝護(hù)風(fēng)圈的風(fēng)扇，與穩(wěn)態(tài)仿真得到的結(jié)果一致。

3? 結(jié)論

本文建立發(fā)動機(jī)風(fēng)扇的CFD仿真模型，分別模擬了安裝護(hù)風(fēng)罩與未安裝護(hù)風(fēng)罩兩種模型，對流場進(jìn)行了速度、壓力與噪聲分析，分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)仿真。計(jì)算結(jié)果表明：護(hù)風(fēng)圈可以減少風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間的漩渦，提高11.6%的風(fēng)扇流量，同時(shí)降低氣動噪聲。發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇安裝護(hù)風(fēng)圈有助于提高氣動性能。

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