基于CFD的發(fā)動機冷卻風扇氣動性能仿真研究

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(一汽海馬汽車有限公司 整車集成部,海口 570216)

發(fā)動機冷卻風扇的作用是加速空氣流動,使得散熱器、冷凝器、中冷器等散熱性能提高,因此，冷卻風扇性能的優(yōu)劣決定著汽車散熱系統(tǒng)的好壞[1].風扇的氣動性能參數(shù)包括流量、靜壓、功率及效率等.工程上一般使用風扇性能試驗臺架進行氣動性能試驗.氣動性能試驗能夠得到風扇不同工況下的氣動性能,便于風扇的選型、優(yōu)化和對比[2].但是性能試驗無法得到風扇流場的微觀氣動特征,且需要將風扇實際生產(chǎn)出來,導致效率低、成本高[3].CFD仿真分析克服了性能試驗的這些缺點,為風扇的氣動性能設計及測試提供了一種更方便、經(jīng)濟的方法[4].

1 FE模型搭建

1.1 風扇氣動性能試驗

為了使得搭建的FE模型與氣動性能試驗具有很強的對比性,必須對實驗臺架測試原理進行分析.

圖1 風扇氣動性能實驗臺架Fig.1 Aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

測試風扇固定在實驗臺架尾端的出風口,風扇通過自身的驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn),把風從實驗臺方形腔體中抽出并排入實驗室內(nèi).實驗時,通過空速管測試風扇抽出的風量,同時，通過壓力變送器測試風扇入口(實驗臺架方腔內(nèi))前端某處的靜壓,而風扇的軸功率則通過測試其自身驅(qū)動電機的輸入電流及電壓換算獲得.

圖2 風扇氣動性能實驗臺架原理示意圖Fig.2 Principle figure for aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

實驗時,通過控制實驗臺架前端鼓風機的進風量使得風扇入口的壓力變化,從而測得不同壓力下風扇的轉(zhuǎn)速、風量、功率等.

1.2 FE模型搭建

從風扇氣動性能實驗可知,風扇的入口是人為控制的壓力入口,入口處的空氣流調(diào)整線網(wǎng)，保證了入口處壓力變送器位置空氣流的均勻性及壓力的穩(wěn)定性.因此，入口模型可以用一個覆蓋風扇的長方體,其長度足夠長，以保證從入口流入的空氣流已經(jīng)充分發(fā)展,流動已經(jīng)穩(wěn)定.

表1 風扇性能實驗結(jié)果Tab.1 Test result of the fan performance

圖3 計算域FE模型Fig.3 Computational domain and FE model

圖4 風扇FE模型Fig.4 FE model of cooling fan

風扇排出的氣流是直接流入實驗室內(nèi),這相當于一個自由出口,因此，風扇出口設置為一個零壓力出口.如果直接在風扇出口設置成零壓力出口,出口處的壓力梯度將會非常大,仿真結(jié)果失真.因此,在出口處設置一個5 000 mm×3 000 mm×2 600 mm的長方體域,以模擬自由出口.

2 仿真模型選擇及參數(shù)設置

2.1 仿真模型選擇

本文使用的仿真軟件是汽車行業(yè)常用的商業(yè)軟件Star CCM+,該軟件具有良好的計算精度.本文研究的空氣流動屬于低速流動范疇(即Ma<0.3),空氣的壓縮性接近零,因此，選擇常密度氣體模型,氣體密度為試驗測試值1.185 kg/m3.因計算模型中包含有風扇的旋轉(zhuǎn),湍流模型選擇考慮旋轉(zhuǎn)的RealizableK-ε模型.壓力、動量、湍流耗散率等均采用二階迎風格式離散[5].

2.2 風扇模擬方法

在Star CCM+中,對于風扇的模擬有3種方式,分別為滑移網(wǎng)格法、風扇動量源法、多重參考系法[6].滑移網(wǎng)格法適用于瞬態(tài)計算,風扇動量源法無風扇實體模型,是依賴實驗數(shù)據(jù)進行風量的模擬,出風不真實.

本文中風扇有實體模型,且為穩(wěn)態(tài)計算,因此，采用多重參考系模型.該模型的基本思想是把風扇內(nèi)流場簡化為葉片在某一位置的瞬時流場,將非定常問題用定常方法計算.轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格在計算時保持靜止,在慣性坐標系中以作用的科氏力和離心力進行定常計算,而定子區(qū)域是在慣性坐標系里進行定常計算.在兩個子區(qū)域的交界面處慣性坐標系下的流體參數(shù),保證交界面的連續(xù)性,達到用定常計算來研究非定常問題的目的[2].

2.3 參數(shù)設置

入口邊界條件:為與實驗設置保持一致,設定入口為質(zhì)量流入口(以實驗測試的質(zhì)量流作為輸入),并監(jiān)測風扇入口處的壓力數(shù)值.

出口邊界條件:計算模型出口設置為壓力出口,壓力值為0.

壁面邊界條件:其他邊界都設置為默認的無滑移壁面邊界條件,但風扇出口域的上、左、右壁面設置為滑移壁面;風扇區(qū)域設置旋轉(zhuǎn)參考坐標系,并按照試驗數(shù)值設定風扇轉(zhuǎn)速,對未旋轉(zhuǎn)的靜止壁面設置為絕對靜止.

3 仿真結(jié)果及對標分析

3.1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果是否收斂需要監(jiān)測相關(guān)參數(shù)進行判斷,本文重點關(guān)注的參數(shù)有計算域出口流量、風扇入口壓力,因此，分別監(jiān)測了這兩個參數(shù)及殘差,如圖5～圖7所示.

圖5 殘差監(jiān)測Fig.5 Plots of residual

圖6 計算域出口流量監(jiān)測Fig.6 Plot of mass flow in outlet

圖7 風扇入口壓力監(jiān)測Fig.7 Plot of pressure in outlet

圖8和圖9是計算域流線圖.由圖可知,空氣被風扇從入口域方腔中吸出,然后旋轉(zhuǎn)加速流入出口域自由方腔中.

圖8 計算域流線圖Fig.8 Streamline in computational domain

圖9 風扇周邊流線局部視圖Fig.9 Streamline in the vicinity of the cooling fan

如圖10所示,風扇吸風面是大量的負壓區(qū)域,在葉片的前緣與外圈交接處,壓力最小.如圖11所示,風扇壓風面是大量的正壓區(qū),即風扇的做功區(qū)域,在葉片的前緣壓力最大.風扇葉片前緣靠外徑方向區(qū)域正壓、負壓相差較大,是風扇回流的主要區(qū)域,即功率損失的主要區(qū)域.

圖10 風扇吸風面壓力云圖Fig.10 Surface pressure for windward side of cooling fan

3.2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

風扇的主要氣動性能指標是風量、壓力、功率、效率等,因此，以它們?yōu)閷Ρ葘ο?對比結(jié)果如表2所示.

圖11 風扇壓風面壓力云圖Fig.11 Surface pressure for leeward side of cooling fan

表2 風扇氣動性能實驗仿真對比Tab.2 Comparison between the test and the simulation of the fan performance

由圖12和圖13所示,實驗與仿真的風扇壓力流量曲線、風扇效率流量曲線趨勢基本一致,且在流量為1.0～1.4 kg/s范圍內(nèi),即風扇靜壓在50～90 Pa之間.實驗值與仿真值很接近,在該工作壓力下,風扇流量誤差在8%以內(nèi).

圖12 風扇壓力流量曲線Fig.12 Pressure-flow curve of cooling fan

圖13 風扇效率流量曲線Fig.13 Efficiency-flow curve of cooling fan

通過統(tǒng)計該車型風扇在怠速及爬坡工況的風扇靜壓,得出其工作靜壓在60～80 Pa之間(仿真精度在5%以內(nèi)),而高速工況風扇對整個散熱模塊影響很小,甚至風扇關(guān)閉不工作,故未做統(tǒng)計.

4 結(jié)語

本文運用Star CCM+搭建了風扇性能試驗仿真平臺.通過仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比,得出兩者氣動性能的變化趨勢一致,且在風扇的真實工作壓力范圍內(nèi),仿真精度在可接受的范圍內(nèi).證明了本文搭建的風扇模型是可靠的,該模型可用于三維發(fā)動機艙流場的模擬,同時,也可為風扇的設計提供指導.

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