某型號(hào)風(fēng)扇性能分析與優(yōu)化

劉吉林，王宏大，王次安

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某型號(hào)風(fēng)扇性能分析與優(yōu)化

劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型號(hào)車輛在熱平衡試驗(yàn)中水溫超標(biāo)，經(jīng)排查，制約冷卻系統(tǒng)散熱能力發(fā)揮的主要因素是風(fēng)扇性能不滿足需求。通過(guò)使用Flowmaster軟件，建立能夠重現(xiàn)水溫超標(biāo)問(wèn)題的模型。以目標(biāo)水溫為邊界，逆向推導(dǎo)風(fēng)扇所需滿足的性能指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)證，換裝新風(fēng)扇樣件后可通過(guò)試驗(yàn)。

冷卻風(fēng)扇；熱平衡；仿真分析；Flowmaster

引言

車輛在開發(fā)過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)各類試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)車輛的實(shí)際性能是否達(dá)標(biāo)。一旦出現(xiàn)不合格的情況，就需要排查原因、設(shè)計(jì)整改、再次驗(yàn)證，最終才能通過(guò)。而受到各種因素的影響，試驗(yàn)不能反復(fù)多次進(jìn)行，也不能在試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)調(diào)整待測(cè)試的零件。此時(shí)，通過(guò)仿真分析可以定量的找到不足之處，避免多次試驗(yàn)。

當(dāng)前在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)某款車在熱平衡試驗(yàn)中水溫超標(biāo)，未能通過(guò)試驗(yàn)。而試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)僅展示了最終這一結(jié)果，并不能反映問(wèn)題根源的所在。為解決這一問(wèn)題，從冷卻系統(tǒng)工作原理及運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，逐一排查可能出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)。

1 原因排查

冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱一部分經(jīng)排氣帶走，其他熱量主要經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)水套吸收進(jìn)入冷卻液，表現(xiàn)為冷卻液水溫的升高。隨后高溫冷卻液進(jìn)入散熱器，和外界的常溫空氣進(jìn)行換熱，而后溫度降低。低溫的冷卻液再次回到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口，然后進(jìn)入水套進(jìn)行下一次循環(huán)。

對(duì)于換熱核心零件散熱器來(lái)說(shuō)，影響換熱的因素來(lái)自三個(gè)方面：冷卻液側(cè)、散熱器幾何結(jié)構(gòu)、空氣側(cè)。其中，冷卻液側(cè)是熱量的來(lái)源，空氣側(cè)是熱量的去向，而散熱器的幾何結(jié)構(gòu)則是影響單位流量單位溫差條件下?lián)Q熱總量的因素。所以，一旦出現(xiàn)換熱問(wèn)題，也就按照這三個(gè)大方向著手排查。

冷卻液側(cè)排查。冷卻液側(cè)的問(wèn)題主要有兩點(diǎn)，其一散熱器設(shè)計(jì)流量不足、其二散熱器實(shí)際流量不足。經(jīng)核對(duì)設(shè)計(jì)文件，冷卻系統(tǒng)各支路流量設(shè)計(jì)合理；經(jīng)拆解及測(cè)試發(fā)現(xiàn)，管路內(nèi)部無(wú)堵塞，節(jié)溫器開啟溫度、開啟升程、響應(yīng)速度正常，水泵運(yùn)行正常，散熱器支路流量正常，符合預(yù)期。據(jù)此，排除冷卻液側(cè)故障。

散熱器排查。堵塞、缺陷等問(wèn)題排除之后，散熱器需要確認(rèn)的問(wèn)題就是，換熱系數(shù)或者換熱效率是否合格。由于不同的流量溫差條件下該數(shù)值本就不是定值，通常需要核對(duì)的就是標(biāo)準(zhǔn)換熱試驗(yàn)條件下的換熱功率是否符合圖紙要求。經(jīng)確認(rèn)，散熱器性能符合圖紙要求，散熱器幾何尺寸同樣符合圖紙要求。故，散熱器無(wú)問(wèn)題。

空氣側(cè)排查。如上文分析，冷卻液足量的運(yùn)送了熱量進(jìn)入散熱器，而散熱器也具備將熱量傳遞至外側(cè)空氣的潛力。而熱量最終卻沒(méi)能順利進(jìn)入空氣。空氣接收熱量主要有兩個(gè)影響因素：空氣流量和散熱器前空氣溫度。通過(guò)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)可知，散熱器前空氣溫度在合理的范圍之內(nèi)，而讀取到的散熱器表面風(fēng)速較低。另外，監(jiān)測(cè)到的散熱器后空氣溫度也很高，即空氣側(cè)溫差很大。綜合上述兩點(diǎn)可以即可確定換熱不良的原因在于空氣流量不足。而要想提高風(fēng)量，則需要盡可能降低空氣通道上的流阻，避免漏風(fēng)，再者提高風(fēng)扇性能。由于前兩項(xiàng)已作過(guò)優(yōu)化調(diào)整，故重點(diǎn)調(diào)整方向在提升風(fēng)扇性能上。

2 分析建模

由于試驗(yàn)結(jié)果僅能表明風(fēng)扇性能不足，而并不能指出性能需要提升多少。在后續(xù)試驗(yàn)前，應(yīng)當(dāng)通過(guò)模擬分析查找適應(yīng)當(dāng)前車況的風(fēng)扇性能，再和系列化產(chǎn)品比對(duì)選取合適的風(fēng)扇。

建模采用Flowmaster軟件搭建一維分析模型，以散熱器為核心，分別建立空氣和冷卻液兩條流通通道。冷卻液流量受水泵控制直接按轉(zhuǎn)速插值給出，溫度根據(jù)試驗(yàn)記錄直接賦值；散熱器直接填寫換熱性能數(shù)據(jù)；空氣側(cè)是重點(diǎn)需要標(biāo)定的通路。因?yàn)橐痪S分析模型并不能根據(jù)三維幾何數(shù)據(jù)直接自動(dòng)計(jì)算流阻，同時(shí)還要兼顧各個(gè)位置計(jì)算的溫度要符合試驗(yàn)測(cè)試到的溫度。最后，模型必須能夠同時(shí)適用于所有測(cè)試過(guò)的工況。

圖1 前端模塊分析模型

模型如圖1所示，橫向是空氣側(cè)模型，豎向是冷卻液側(cè)。冷卻液側(cè)無(wú)需過(guò)多標(biāo)定，空氣側(cè)最終需要調(diào)整格柵、冷凝器、散熱器、發(fā)艙綜合等多處流阻，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度與試驗(yàn)相符。

模型標(biāo)定中，風(fēng)阻可以參考零部件單體試驗(yàn)的是冷凝器，而進(jìn)氣格柵的風(fēng)阻只能部分參考，發(fā)動(dòng)機(jī)艙底風(fēng)阻只能根據(jù)其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)逐步調(diào)整。

試驗(yàn)共分析五種速度-負(fù)荷綜合工況，車速?gòu)牡偷礁?。以散熱器前風(fēng)速為例，模型計(jì)算風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速重合比例如圖2，高速工況完全符合，僅最低車速工況差異較大。但整體吻合程度很高。

圖2 各工況重合比例

當(dāng)模型標(biāo)定后，使用流量源和壓力源替換掉風(fēng)扇元件，如圖3所示。

圖3 替換掉風(fēng)扇元件后的模型

此時(shí)，逐步調(diào)整“風(fēng)扇”位置壓力源的壓力值，使空氣側(cè)空氣流量逐漸增加，這時(shí)可以觀察到散熱器冷卻液出口溫度逐漸降低，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度低于限值。

3 結(jié)論分析及驗(yàn)證

圖4 風(fēng)扇性能需求

如上圖，孤立點(diǎn)是風(fēng)扇性能需求，曲線是當(dāng)前風(fēng)扇在最大驅(qū)動(dòng)電壓下的性能曲線。以新的性能需求為邊界，重新提出風(fēng)扇設(shè)計(jì)需求。將新的樣件安裝至試驗(yàn)車后驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，各工況下水溫都已低于限值。

4 結(jié)語(yǔ)

從整個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程來(lái)看，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐挪榭梢钥焖贉?zhǔn)確的鎖定問(wèn)題所在。而針對(duì)性建模分析可以定量的確定整改優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)合最終的試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)整改方案的可行。

[1] Flowmaster軟件參考文檔.

[2] 高巧,劉吉林等.某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù). 2017(8), 129-131.

Simulation and Optimization for a Cooling Fan

Liu Jilin, Wang Hongda, Wang Ci’an

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

At the end of a vehicle thermal balance test the coolant temperature is beyond the limit value, which results from the checked fact that the performance of the cooling fan is not sufficient. A Flowmaster analysis model is built to solve this problem. To fulfill the target coolant temperature, run the model to calculate the proper performance specification. The sample fan passes the next test.

Cooling fan;Thermal balance;Simulation; Flowmaster

A

1671-7988(2019)03-91-02

U464.138

A

1671-7988(2019)03-91-02

U464.138

劉吉林，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.027