楊 歡 李慶武

（1．常州劉國鈞高等職業(yè)技術學校，江蘇 常州 213100；2．河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 常州 213022）

0 引言

冷卻風扇作為汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的核心部件，其流量直接決定了汽車的散熱性能。傳統(tǒng)的設計通常采用理論公式與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，或根據(jù)經(jīng)驗對風扇進行設計，存在周期長、成本高以及參數(shù)與性能匹配性差等問題[1]。

隨著仿真技術的發(fā)展，國內(nèi)外學者基于計算流體力學（CFD）研究了風扇不同的設計參數(shù)對其流量、功率以及效率等氣動性能參數(shù)的影響[1-8]。張若楠等[1]基于Fluent分析風扇的3種不同參數(shù)對散熱器進風量和風扇有效功率的影響規(guī)律。金漲軍[2]基于CFD采用正交試驗法研究葉片安裝角、弦長和拱高對風扇靜壓和功率的影響并對其進行優(yōu)化。鄭智方等[3]采用正交試驗研究風扇性能，以降低噪聲。由此可見，基于Fluent采用正交試驗法對風扇葉片進行結(jié)構參數(shù)優(yōu)化設計可以有效地提高風扇的綜合性能。

該文以提高冷卻風扇的流量為目的，采用UG建立冷卻風扇的三維模型，基于Fluent進行葉片流場仿真分析，并通過風洞試驗進行理論驗證。采用正交試驗法，以背壓為350 Pa時的流量為優(yōu)化目標，以葉片數(shù)量、安裝角以及葉片長度為優(yōu)化參數(shù)，從而優(yōu)化風扇的性能。

1 風扇流場建模與分析

1.1 風扇流場建模與網(wǎng)格劃分

以某企業(yè)某型號冷卻風扇為原型（如圖1所示），采用UG建立簡化后的三維幾何模型。模型主要包括葉片、輪轂和外環(huán)3個部分。其中，冷卻風扇的安裝角為35°，葉片數(shù)為7，葉片長度為76 mm。

圖1 冷卻風扇幾何模型

為了與風洞試驗結(jié)果進行對比驗證，CFD仿真模型的構建根據(jù)實際風洞試驗模型進行設置。 為了使模擬狀態(tài)下的氣流更均勻，整個流場分為3個部分（進口域、旋轉(zhuǎn)域和出口域）。

1.1.1 旋轉(zhuǎn)域

試驗中的葉片始終處于勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，為了更好地模擬氣體的流動情況，在風扇周圍建立圓柱形包絡體作為內(nèi)流域，半徑大小與實際風扇外殼大小相同，圓柱體前后表面稍微超出風扇端面（便于網(wǎng)格劃分），如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)域

1.1.2 外流場

根據(jù)實際模型，實驗臺外部區(qū)域為進口，內(nèi)部區(qū)域為出口，因此將外流場分為2個部分（進口區(qū)域和出口區(qū)域），如圖3所示。

圖3 進口域與出口域

由于風扇葉片造型復雜，因此采用非結(jié)構化四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。為了更好地捕捉葉片周圍區(qū)域的氣流情況，對葉片處的旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進行細化，添加膨脹層和面網(wǎng)格。通過開展網(wǎng)格無關性驗證，分別計算當背壓為350 Pa、網(wǎng)格數(shù)量不同（約為210萬、320萬和400萬）時的流量，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)為210萬與320萬的流量相差較大，約為3.5%；網(wǎng)格數(shù)為320萬與400萬的流量相差較小，約為1.0%。綜合考慮計算精度和效率，采用網(wǎng)格數(shù)約為320萬的網(wǎng)格（如圖4所示）。

圖4 整體網(wǎng)格

1.2 邊界條件設置

該文冷卻風扇模型所用到的邊界條件包括壓力進口、壓力出口、壁面和交界面。由于空氣為不可壓縮流體，進、出口分別與大氣相連通，因此將進、出風口邊界條件分別設置為壓力進口和壓力出口。入口為大氣壓力，因此在多種工況條件下的相對壓差均為0 Pa。根據(jù)風洞試驗，將出口壓力的背壓分別設置為0～500 Pa。將長方體其余表面和圓柱外表面設置為壁面，將圓柱體與長方體的交界面設置為交界面。

1.3 計算方法設置

由于風扇的各個葉片表面都存在彎曲、扭轉(zhuǎn)的情況，導致流體的運動并不規(guī)則，因此選擇更貼合實際情況的Realizablek-ε模型，近壁處理選用增強壁面處理（Enhanced Wall Treatment）；當設置求解器時，采用SIMPLEC算法，以提高收斂速度；動量守恒方程、湍流動能和湍流耗散率均設置用二階迎風格式來進行計算。

1.4 仿真結(jié)果及分析

對原始風扇實物進行CFD流場仿真分析，當背壓為350 Pa、轉(zhuǎn)速為4 425 r/min時，風扇的靜壓云圖如圖5所示。由圖5可知，葉片的壓力只有在尾緣處為負值，其余部分為正值，最大壓力值為1 200 Pa，最小壓力值為-1 270 Pa。在葉片的吸力面，處于葉片前緣靠葉片中間位置的表面靜壓值最小，同時向兩側(cè)逐步擴張；外環(huán)與葉片前緣相交處表面的靜壓值最大，并朝輪轂方向呈逐漸減小的趨勢。

圖5 冷卻風扇表面靜壓圖

原始風扇表面的速度云圖如圖6所示。由圖6可知，風扇表面速度隨直徑的變大逐漸變大。風扇葉片在工作時受旋轉(zhuǎn)離心力的作用，隨著半徑逐漸變大，風扇表面的旋轉(zhuǎn)速度也開始變大，葉片表面的動壓也逐漸增加。

圖6 冷卻風扇表面速度云圖

通過改變出口邊界條件，賦予風扇不同的背壓值，可以得到不同背壓下的風扇流量，如圖7所示。當靜壓為350 Pa時，風扇的流量為0.38 m3/s。流量隨靜壓的增大而逐漸減小。當靜壓為0 Pa時，冷卻風扇的流量最大，約為0.99 m3/s；當靜壓為500 Pa時，流量達到最小值，約為0.28 m3/s。

圖7 不同背壓下風扇的流量

2 風洞試驗驗證

企業(yè)提供的風扇氣動性能風洞實驗臺示意圖如圖8所示。實驗臺采用定靜壓的方式來測量相關參數(shù)和風量。首先，設定靜壓值，采用PID儀表測得靜壓值。其次，讀取當前靜壓下的各項數(shù)值，例如大氣壓、差壓、靜壓以及出風口風速等數(shù)值，以計算流量。最后，得到不同背壓下的流量數(shù)據(jù)。

圖8 風洞實驗臺

背壓為100～400 Pa的流量試驗值與數(shù)值解對比如圖9所示。對比試驗值與數(shù)值解可以看出，隨著背壓的增大，二者均變小。數(shù)值解均小于測試值，平均誤差約為8.8%；當背壓為200 Pa時，誤差最小，約為2%。造成誤差的原因主要有2點：1） 實驗臺存在一定的測試誤差。2） 仿真分析時對模型進行了簡化，導致模型存在一定誤差。綜合考慮誤差的原因和結(jié)果，可以認為仿真模型和結(jié)果是準確、可靠的。

圖9 數(shù)值解與風洞試驗值對比

3 正交試驗法優(yōu)化設計

3.1 正交試驗表

以企業(yè)提供的風扇原型為參考，采用正交試驗法進行優(yōu)化設計。所設計的風扇要求在尺寸限制的條件下，盡可能提高各背壓下的流量。由于實際應用中最常用的為高背壓段（300 Pa～450 Pa），因此選取背壓為350 Pa時的流量作為評價指標。所設計的風扇內(nèi)徑、外徑尺寸已限制，當風扇葉片過長時，會導致成本增加、風扇安裝困難；當葉片過短時，會導致氣流在葉片尖部產(chǎn)生過大的渦流，因此風扇的葉片長度變動范圍較小，取75 mm、76 mm以及76.5mm。由于當葉片數(shù)過多時會導致摩擦損失增大，降低效率，因此葉片數(shù)取5片、6片以及7片。原始葉片的安裝角為35°，試驗中變換安裝角，取33°、35°以及37°。

綜上所述，選取葉片長度、數(shù)目以及安裝角作為試驗因子，每個試驗因子各取3個水平。不考慮因子間的交互作用，共形成9種試驗模型（見表1），查詢正交表格選擇L9（33）（正交表，共9列（三水平三因素））進行正交試驗。

表1 正交試驗表

3.2 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)給定的模型進行仿真試驗，結(jié)果見表2。K1、K2以及K3分別代表在各個因素、各個水平下的流量的總和，單位為m3/s；ki（i=1，2，3）表示任一列上因素取水平i時所得流量的算術平均值,單位為m3/s。極差Rm為各個因素的不同水平對冷卻風扇流量的影響，極差值越大表示該因素的變動對評價指標的影響越大。

由表2可知，葉片數(shù)量、安裝角和葉片長度3個因素及3個因素所對應的水平值對流量均有不同程度的影響。通過極差分析3個因素的顯著性和各因素的最優(yōu)水平值可得，對試驗結(jié)果影響最大的是葉片數(shù)目，其次是葉片長度，影響最小的是安裝角。由分析結(jié)果可知，第三個模型的流量為0.434 m3/s，比原始設計模型的流量增加了14.2%。最優(yōu)葉片的參數(shù)為安裝角33°，葉片長度76.5 mm，葉片數(shù)7片。

表2 正交試驗結(jié)果極差分析

為了更直觀地看出因素與指標的關系，以因素水平為橫坐標，流量平均值ki（i=1，2，3）為縱坐標，得出流量隨葉型參數(shù)的變化規(guī)律。風扇安裝角與流量的關系如圖10（a）所示，隨著安裝角的增加，風扇的流量先減少增加，在安裝角為35°時取得最小值。風扇葉片長度與流量的關系如圖10（b）所示，當葉片長度由75.0 mm增至76.5 mm時，葉片的流量由0.334 8 m3/s逐漸增至0.385 6 m3/s。其原因是隨著葉片長度的增加，葉片與流體區(qū)域的接觸面積變大，高速旋轉(zhuǎn)時與流體的相互作用面積變大，從而使流量增大。流量隨風扇葉片數(shù)的變化關系如圖10（c）所示，隨著葉片數(shù)由5片增至7片，風扇的流量呈持續(xù)增加的趨勢，當葉片數(shù)目為7片時，流量達到最大值；當葉片數(shù)目為5片時，流量達到最小值，二者流量相差0.140 9 m3/s。其原因是隨著葉片數(shù)目的增加，葉片與流體之間的接觸面積呈倍數(shù)增加，因此風扇的流量呈正比例增長的趨勢。

圖10 流量與安裝角、葉片長度和葉片數(shù)的關系

3.3 不同背壓下優(yōu)化前后對比

通過試驗得到當背壓為350 Pa時的流量最優(yōu)結(jié)構參數(shù)，以此為基礎，改變背壓，得到不同背壓下優(yōu)化后的風扇的流量值，并將結(jié)果與原始結(jié)構的結(jié)果進行對比。結(jié)果如圖11（a）所示，背壓從0 Pa增至500 Pa，優(yōu)化后的流量變化趨勢與優(yōu)化前的流量變化趨勢基本一致，隨著背壓的增大而減少；且在各背壓下，優(yōu)化后的流量均優(yōu)于優(yōu)化前的流量。在實際應用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%。

圖11 原始風扇與優(yōu)化風扇流量對比圖

4 結(jié)語

該文基于Fluent對風扇葉片流場進行仿真分析，并采用正交試驗法，以提高葉片流量為優(yōu)化目標，以葉片安裝角、長度以及數(shù)目為優(yōu)化參數(shù)對葉片進行優(yōu)化設計。結(jié)論如下：1） 葉片表面靜壓值最高在葉片前緣，隨著出口背壓的不斷增大，流量逐漸降低。2） 優(yōu)化后的冷卻風扇在不同背壓下的出口流量均有所提高，在實際應用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%，有效地提高了風扇的工作性能。3） 風洞試驗結(jié)果驗證了數(shù)值仿真模型和方法的可靠性，對風扇的優(yōu)化設計具有指導意義。