基于CFD數(shù)值仿真的工程機械冷卻風(fēng)扇性能分析

劉佳鑫,王寶中,邢夢龍,秦四成,蔣炎坤,龍海洋

(1.華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,湖北武漢 430074; 3.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130022)

施工機械與管理

基于CFD數(shù)值仿真的工程機械冷卻風(fēng)扇性能分析

劉佳鑫1,2,王寶中1,邢夢龍1,秦四成3,蔣炎坤2,龍海洋1

(1.華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,湖北武漢 430074; 3.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130022)

為了提升冷卻風(fēng)扇的性能,使流經(jīng)散熱器空氣的流動狀態(tài)得到改善,基于國內(nèi)某工程機械用冷卻風(fēng)扇建立幾何模型,利用CFD數(shù)值仿真對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行模擬.結(jié)果表明:原風(fēng)扇仿真模型正確;孤立翼型法與合理的特征控制可用于風(fēng)扇的幾何開發(fā)與建模;當(dāng)體積流量達(dá)到10．24 m3·s－1時,新風(fēng)扇全壓效率提升了約0．81%,軸功率降低了0．12 k W.

數(shù)值仿真;冷卻風(fēng)扇;風(fēng)扇設(shè)計;工程機械

0 引 言

冷卻風(fēng)扇作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的一個重要部件,在為動力艙創(chuàng)造空氣流動環(huán)境的同時,也為散熱器組提供充足的冷卻風(fēng).通過冷卻風(fēng)扇控制空氣流量,可以合理地實現(xiàn)對冷卻液溫度的調(diào)控,保證各部件在合理的溫度區(qū)間,從而保持發(fā)動機高效率的工作狀態(tài).由此可見,冷卻風(fēng)扇性能直接影響著設(shè)備總體的性能和工作可靠性.

針對冷卻風(fēng)扇性能,國內(nèi)外專家學(xué)者已從冷卻風(fēng)扇設(shè)計方法入手積極開展研究:上海理工大學(xué)王企鯤運用“等密流型”與“變密流型”2種設(shè)計方法進(jìn)行扭葉片改型設(shè)計,并利用CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真對比兩者差異,且對2種設(shè)計方法作出了評價[1];劉全忠通過數(shù)值模擬,以汽輪發(fā)電機為研究對象,獲得了安裝角等參數(shù)與效率之間的關(guān)系,并對其展開性能優(yōu)化[2];高紅霞等使用控制渦設(shè)計理論對直升機軸流風(fēng)扇氣動性能進(jìn)行改進(jìn)提升;M Henner利用CFD數(shù)值模擬的方法,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù),實現(xiàn)對風(fēng)扇性能的改進(jìn)[3];Zhou Jianhui則采用理論設(shè)計與CFD仿真驗證相結(jié)合的方式對CPU冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了重新設(shè)計[4].

基于以上已取得的研究成果,本文利用CFD數(shù)值仿真對用于某國內(nèi)工程機械上的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行性能分析,通過試驗數(shù)據(jù)驗證仿真模型;利用孤立翼型法對其重新設(shè)計,并對新風(fēng)扇進(jìn)行性能仿真,對比仿真結(jié)果,以確認(rèn)性能改進(jìn)和提升的有效性.

1 原風(fēng)扇仿真與試驗驗證

1．1 風(fēng)扇與風(fēng)道三維模型

根據(jù)圖紙建立原風(fēng)扇模型,如圖1所示.風(fēng)扇直徑為780 mm;輪轂比為0.33;彎掠角為0°;輪轂直徑為260 mm;安裝角為26°;翼型為等厚度彎板.

圖1 原風(fēng)扇模型

建立風(fēng)道三維幾何模型,如圖2所示.風(fēng)道采用圓形截面,直徑等于其風(fēng)扇當(dāng)量直徑,風(fēng)道的入口長度為4倍當(dāng)量直徑,出口長度為6倍當(dāng)量直徑.在出口風(fēng)道2～4倍風(fēng)扇當(dāng)量直徑處建立整流柵.

圖2 風(fēng)道模型

1．2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定

利用Gambit對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定.采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對風(fēng)扇表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分;對旋轉(zhuǎn)域內(nèi)部以及進(jìn)出口處使用結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格混合加密,加密后無負(fù)網(wǎng)格和扭曲網(wǎng)格,如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格模型

將風(fēng)扇、風(fēng)道表面、整流柵設(shè)定為wall;將風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域與風(fēng)道進(jìn)出口公共面設(shè)定為interior;將風(fēng)道進(jìn)口設(shè)定為velocity-inlet;風(fēng)道出口設(shè)定為pressure-outlet;將旋轉(zhuǎn)域以及進(jìn)口風(fēng)道、出口風(fēng)道設(shè)定為fluid;風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 000 r·min－1;選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[5-8].

1．3 結(jié)果分析與試驗驗證

圖4 原風(fēng)扇進(jìn)口處空氣狀態(tài)

如圖4所示,在原風(fēng)扇空氣進(jìn)口處,低壓區(qū)主要集中在風(fēng)扇中上部分,呈階梯狀分布.這是由于扇葉掃掠過的區(qū)域空氣體積驟降,周圍的空氣無法迅速填充而造成的;隨后在壓差作用下,低壓區(qū)空氣體積不斷被填充,該區(qū)域逐步回升到環(huán)境壓強;隨著轉(zhuǎn)速的增加,空氣持續(xù)流通,階梯狀分布的低壓區(qū)逐漸變成環(huán)狀低壓區(qū).

圖5(a)中,原風(fēng)扇空氣出口端輪轂處出現(xiàn)較大的低壓區(qū);高壓區(qū)則呈環(huán)狀分布在0．3倍葉高至葉尖之間,并在葉尖處壓強達(dá)到最大,這是風(fēng)扇對氣流做功的結(jié)果.圖5(b)中,氣流在葉尖處流速最大,并由此逐漸向兩邊遞減;最低氣流速度出現(xiàn)在輪轂處,這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致回流的產(chǎn)生.

圖5 原風(fēng)扇出口處空氣狀態(tài)

在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定的條件下,對7組不同流量值進(jìn)行試驗仿真,在5倍當(dāng)量直徑處提取全壓值,計算全壓效率,與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,繪制兩者全壓及全壓效率性能曲線,如圖6所示.從圖6(a)可以看出:當(dāng)風(fēng)量降低時,二者偏差逐漸增大,最大誤差為4.5%;當(dāng)風(fēng)量大于6 m3·s－1時,原風(fēng)扇仿真值與試驗值逐漸趨于吻合,最大誤差約2.38%.從圖6(b)可以看出,隨著風(fēng)量的增加,全壓效率都呈現(xiàn)出上升趨勢,且均在風(fēng)量為10.24 m3·s－1時出現(xiàn)最大值,原風(fēng)扇仿真值與試驗值最大相差約3%.

圖6 原風(fēng)扇試驗與仿真性能對比

2 風(fēng)扇設(shè)計與數(shù)值仿真

2．1 風(fēng)扇設(shè)計

選用孤立翼型設(shè)計法對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計.設(shè)計分為3個階段:選定設(shè)計參數(shù)、預(yù)備設(shè)計、正式設(shè)計.

(1)設(shè)計參數(shù).參照原風(fēng)扇性能和結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)定全壓為550 Pa,體積流量為10．24 m3·s－1,新風(fēng)扇采用Clark-y翼型.

(2)預(yù)備設(shè)計.預(yù)備設(shè)計計算如下

式中:Λ為葉尖流速系數(shù);Va為通過葉輪的平均軸向速度;Ω為葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)角速度;R為葉輪半徑;λb為葉片根部流速系數(shù);Xb為輪轂比;εSb為根部旋流系數(shù);Kth為理論全壓系數(shù);CL為升力系數(shù);δ為實度;βm為葉片根部合速度與軸向速度的夾角.

預(yù)備設(shè)計篩選依據(jù)為:流速系數(shù)不大于1．4,旋流系數(shù)不大于1,葉片根部載荷因子不大于1.

(3)正式設(shè)計.正式設(shè)計的計算如下

式中:n為葉片數(shù);C為弦長;σ為實度比;r－為相對半徑;φ為安裝角;α為氣流攻角;Re為雷諾數(shù);v為氣體動力黏度.

2．2 三維成型

依據(jù)理論設(shè)計,建立新風(fēng)扇三維模型控制方程,即三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[9]

式中:r為柱坐標(biāo)系下圓柱面半徑;α為翼型上對應(yīng)在柱坐標(biāo)上一點與圓柱截面圓心的連線與zoy平面之間的夾角;x、y、z分別為柱坐標(biāo)系下各點坐標(biāo).

為擴大冷卻風(fēng)扇的穩(wěn)定工作范圍,提升其工作效率,采用周向前彎布局,如圖7所示.前彎角推導(dǎo)公式為[10]

式中:r－為圓弧上任意點相對半徑;θmax為葉尖重心處前彎角最大值;M為圓弧圓心橫坐標(biāo).

圖7 前彎角示意圖

依據(jù)以上控制方程建立新風(fēng)扇模型,網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置與1．2相同,如圖8所示.

2．3 仿真結(jié)果分析

由圖9(a)壓強分布可知,相比原風(fēng)扇,新風(fēng)扇每片葉片的后端都出現(xiàn)了大范圍均勻分布的低壓區(qū),貫穿整片葉片.由圖9(b)速度分布可以看出,新風(fēng)扇最大速度出現(xiàn)在葉尖處,這是由導(dǎo)風(fēng)罩對氣流的擠壓作用與葉尖處較高的線速度共同引起的;同時新風(fēng)扇表現(xiàn)出較為明顯的梯度特征,隨著風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動,其梯度分布也趨于向風(fēng)扇轉(zhuǎn)動方向移動.

圖8 新風(fēng)扇三維模型

圖9 新風(fēng)扇進(jìn)口處空氣狀態(tài)

如圖10(a)所示,新風(fēng)扇出口端低壓區(qū)分布較小;壓強最大值出現(xiàn)在葉片中上部,高壓區(qū)則均勻分布在大部分出口截面上.如圖10(b)所示,速度呈現(xiàn)出均勻環(huán)狀分布,最大速度出現(xiàn)在0．7倍葉高以上范圍內(nèi);由于輪轂處空氣無法流通,因此速度最小.

3 仿真結(jié)果對比

對原風(fēng)扇和新風(fēng)扇進(jìn)行仿真性能對比,結(jié)果如圖11所示.由圖11(a)可以看出,隨著風(fēng)量的增大,兩風(fēng)扇仿真值吻合度逐漸提升.從圖11(b)可以看出,兩風(fēng)扇全壓效率都呈現(xiàn)出上升趨勢,新風(fēng)扇整體略高于原風(fēng)扇,在體積流量達(dá)到10.24 m3·s－1時,新風(fēng)扇較原風(fēng)扇全壓效率提升了0．81%.在圖11(c)中,新風(fēng)扇軸功率整體低于原風(fēng)扇,當(dāng)流量為10.24 m3·s－1時,新風(fēng)扇比原風(fēng)扇軸功率降低了0．12 k W.

圖10 新風(fēng)扇出口處空氣狀態(tài)

圖11 風(fēng)扇仿真性能對比

4 結(jié) 語

本文基于國內(nèi)某工程機械用冷卻風(fēng)扇,使用三維軟件建立原風(fēng)扇幾何模型,利用CFD在虛擬風(fēng)道中進(jìn)行性能模擬,并將試驗數(shù)據(jù)與之進(jìn)行對比;隨后,使用孤立翼型法重新設(shè)計,通過推導(dǎo)成型控制方程建立三維模型,在相同邊界下進(jìn)行仿真,將兩風(fēng)扇的仿真結(jié)果相對比,最終得到以下結(jié)論.

(1)與虛擬風(fēng)道相結(jié)合的CFD數(shù)值仿真可用于模擬和預(yù)測冷卻風(fēng)扇性能數(shù)據(jù).

(2)孤立翼型法與翼型控制方程相結(jié)合,能更好地進(jìn)行冷卻風(fēng)扇設(shè)計與三維建模.

(3)在大部分的流量區(qū)間內(nèi),新風(fēng)扇軸功率等性能參數(shù)均優(yōu)于原風(fēng)扇.當(dāng)流量為10．24 m3·s－1時,新風(fēng)扇全壓效率提升了0．81%,軸功率降低了0．12 k W,證明改進(jìn)有效.

[1] 王企鯤,陳康民．軸流風(fēng)扇兩種扭葉片設(shè)計方法及其氣動性能的比較[J]．流體機械,2010,38(9):24-30．

[2] 劉全忠,宮汝志,王洪杰,等．汽輪發(fā)電機冷卻風(fēng)扇的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,42(3):442-445．

[3] 高紅霞,余建祖,謝永奇．直升機用高轉(zhuǎn)速、小流量軸流風(fēng)扇設(shè)計[J]．航空動力學(xué)報,2006,21(1):119-124．

[4] JIANHUI Z,CHUNXIN Y．Design and Simulation of the CPU Fan and Heat Sinks[J]．IEEE Transactions on Components and Packing Technologies,2008,31(4):890-903．

[5] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．虛擬風(fēng)洞下的車輛散熱器模塊性能改進(jìn)[J]．吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2014,44(2):330-334．

[6] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．基于CFD仿真的車輛散熱器性能對比分析[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,40 (5):24-29．

[7] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．工程車輛散熱器模塊散熱性能數(shù)值仿真[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報,2012,47(4):623-628．

[8] 劉佳鑫,秦四成,孔維康,等．虛擬風(fēng)洞下車輛散熱器模塊傳熱性能數(shù)值仿真[J]．吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2012,42(4):834-839．

[9] 廖庚華,劉慶平,陳 坤,等．基于CATIA的軸流風(fēng)機葉片仿生參數(shù)化建模[J]．吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2012,42(2):403-406．

[10] 劉佳鑫．工程機械散熱模塊傳熱性能研究[D]．長春:吉林大學(xué),2013．

[責(zé)任編輯:杜衛(wèi)華]

Analysis on Performance of Cooling Fan for Construction Machinery Based on CFD Numerical Simulation

LIU Jia-xin1,2,WANG Bao-zhong1,XING Meng-long1,QIN Si-cheng3, JIANG Yan-kun2,LONG Hai-yang1
(1．School of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, Hebei,China;2．School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,Hubei,China;3．School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University,Changchun 130022,Jilin,China)

In order to increase the performance of the cooling fan so as to improve the air flow through the radiator,the geometric model was established based on the domestic cooling fan for construction machinery．The performance of the cooling fan was simulated by CFD numerical simulation．The results show that the original simulation model is correct;the isolated airfoil method and reasonable characteristic control can be used for geometric development and modeling of the fan;when the volume flow reaches 10．24 m3·s－1,full pressure efficiency of the new fan increases by about 0．81%,and shaft power reduces by 0．12 k W．

numerical simulation;cooling fan;fan design;construction machinery

U415．5

B

1000-033X(2017)05-0089-05

2016-12-15

國家科技支撐計劃項目(2013BAF07B04);唐山市重點汽車實驗室建設(shè)項目(12130201A-2)

劉佳鑫(1983-),男,吉林樺旬人,博士后,講師,研究方向為工程車輛節(jié)能降噪技術(shù).