發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇周向彎曲葉片噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐蘊(yùn)婕　賀航　肖凱

摘 要：介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能CFD仿真方法，對(duì)已有的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真可靠性。結(jié)合風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素建立三種不同型式的風(fēng)扇葉片，討論了葉片對(duì)風(fēng)扇性能的影響，在不同的工況下對(duì)葉輪進(jìn)行選型，為整車?yán)鋮s風(fēng)扇的優(yōu)化匹配提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇 CFD 改型設(shè)計(jì)

Noise Optimization On The Circumferential Skewed Blade Design of Engine Cooling Fan

Xu Yunjie He Hang Xiao Kai

Abstract：In this article， The CFD modeling and solution techniques for estimating aerodynamic performances of engine cooling fans are presented， the method is developed to be valuable reference by comparing the CFD results and test. Combined with the fan structure parameters， three different types of fan blades are established， the influence of the blades type on the fan performance is discussed， and the selection of the impeller under different working conditions is carried out， which provides a basis for the optimization and matching of the vehicle cooling fan.

Key words：Engine cooling fan; CFD; Remodel design

1 前言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)保法律法規(guī)及汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，消費(fèi)者對(duì)于汽車動(dòng)力性能和舒適性的追求也在不斷提高，冷卻風(fēng)扇作為冷卻系統(tǒng)主要部件，其散熱性能和噪聲大小對(duì)整車的熱管理及NVH指標(biāo)有著重要影響。因此，對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能以及噪聲特性進(jìn)行研究，并對(duì)現(xiàn)有風(fēng)扇的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的工程價(jià)值。

自20世紀(jì)40年代以來(lái)，扭曲葉片開(kāi)始應(yīng)用到軸流風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，扭曲葉片設(shè)計(jì)大大提高了軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。60年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王仲奇教授和前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)里鮑夫提出了應(yīng)用于航空領(lǐng)域的彎扭葉片聯(lián)合氣動(dòng)成型方法，彎掠風(fēng)葉可控制徑向壓力分布和二次流分布，不僅大幅度提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)-聲學(xué)性能，還能顯著擴(kuò)大穩(wěn)定軸流風(fēng)機(jī)工作區(qū)間，彎掠葉片設(shè)計(jì)成功的運(yùn)用到汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。MG.Beiler[1]采用數(shù)值方法研究了彎扭葉片的內(nèi)部流場(chǎng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究表明，前彎葉片可以改善流場(chǎng)分布，顯著提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能。Fukano[2]對(duì)前彎和后彎葉片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)彎掠葉片可有效改善葉片尾流情況。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)彎掠技術(shù)進(jìn)行了大量的研究分析，上海交通大學(xué)鐘芳源[3]教授將彎掠葉片設(shè)計(jì)應(yīng)用于低壓軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的研究工作，并將彎掠葉片的小型風(fēng)扇應(yīng)用到家用電器中。王軍，于文文[4]等人，利用通過(guò)數(shù)值模擬和變型設(shè)計(jì)方法，篩選出高性能的彎掠葉片，并應(yīng)用到變壓器冷卻領(lǐng)域中。李楊[5-6]等針對(duì)通用型軸流風(fēng)扇葉片，采用CFD計(jì)算風(fēng)扇流場(chǎng)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法和遺傳算法相結(jié)合，對(duì)葉片前彎角進(jìn)行優(yōu)化。車用冷卻風(fēng)扇的研究更多集中在散熱影響，葉片結(jié)構(gòu)重要集中在翼型、弦長(zhǎng)、葉片數(shù)、安裝角等方面，關(guān)于彎掠的設(shè)計(jì)方面相對(duì)較少。

本文以某型乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為例，通過(guò)研究彎掠葉片氣動(dòng)參數(shù)與氣動(dòng)、聲學(xué)性能間的關(guān)系，以期改善流動(dòng)狀態(tài)，提高軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)和聲學(xué)性能指標(biāo)。

2 風(fēng)扇分析及驗(yàn)證

2.1 氣動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)《GB1236/2000通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)一般情況下的通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)的要求，選用C型進(jìn)氣風(fēng)室試驗(yàn)裝置，即通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口端與風(fēng)室的腔室出口相連接，而通風(fēng)機(jī)出口開(kāi)向大氣。風(fēng)扇試驗(yàn)裝置圖如下圖1所示。

C型試驗(yàn)裝置主要由管道部分和出口部分組成，主管道和多噴嘴孔板前后分別設(shè)置壓力計(jì)，為穩(wěn)定管道內(nèi)氣流，風(fēng)室管道內(nèi)設(shè)置整流柵，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴組合開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)壓差及空氣流量。風(fēng)扇安裝在風(fēng)室管道出口處，主要包括調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。

2.2 CFD流場(chǎng)分析

2.2.1 CFD仿真模型

按照試驗(yàn)布置建立流場(chǎng)計(jì)算模型，將計(jì)算區(qū)域分為入口區(qū)、過(guò)渡區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)及出口區(qū)4個(gè)部分。為降低計(jì)算量，簡(jiǎn)化風(fēng)扇三維模型，采用Ansys前處理Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到葉片形狀的復(fù)雜性，對(duì)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格分區(qū)劃分的方法，其中旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)量159w，入口區(qū)和出口區(qū)網(wǎng)格數(shù)95w，旋轉(zhuǎn)域和葉片表面進(jìn)行局部加密處理，以保證網(wǎng)格精度。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2.2 流場(chǎng)邊界條件設(shè)置

采用Fluent軟件對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用有限體積法離散控制方程，采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算采用RNG K-ε模型求解N-S方程，并采用SIMPLE壓力修正算法來(lái)求解速度與壓力的耦合。

進(jìn)出口面均設(shè)為壓力入口條件;出口面設(shè)為壓力出口條件，相對(duì)大氣壓力為0pa。入口區(qū)、出口區(qū)和旋轉(zhuǎn)區(qū)相鄰計(jì)算域交界面設(shè)置為interface邊界，旋轉(zhuǎn)區(qū)定義為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)定速度2400rpm，其中葉片和輪轂設(shè)置為移動(dòng)壁面[7]。

設(shè)置各方程殘差為1×10-4，設(shè)置進(jìn)出口面的質(zhì)量流量為監(jiān)測(cè)量，進(jìn)出口流量穩(wěn)定且差值小于10-3時(shí)，計(jì)算迭代達(dá)到穩(wěn)定收斂。

2.3 流場(chǎng)結(jié)果驗(yàn)證

如圖3所示，CFD計(jì)算不同靜壓下流量值并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果顯示，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，在相同靜壓下，最大相對(duì)誤差不超過(guò)5%。由此可驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果精度良好，符合工程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，可作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 風(fēng)葉優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

目前軸流風(fēng)扇領(lǐng)域葉片改型設(shè)計(jì)方面，對(duì)于葉片葉片安裝角、葉片數(shù)、直徑、弦長(zhǎng)、輪轂比等因素的研究較多。針對(duì)風(fēng)扇本身氣流參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于彎掠軸流風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)越性，我們考慮將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇領(lǐng)域。

葉片基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1所示。

在給定了風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，僅通過(guò)調(diào)整葉片彎掠型式改善風(fēng)扇的氣動(dòng)性能是一種快速有效的方法。

改型風(fēng)葉彎掠曲線如上圖4所示，通過(guò)調(diào)整曲線及夾角控制葉片形狀，建立三種結(jié)構(gòu)風(fēng)葉模型。如下圖5所示。

3.1 氣動(dòng)性能分析

按照前述相同的建模、網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)風(fēng)扇氣動(dòng)性能。通過(guò)計(jì)算不同靜壓下風(fēng)扇流量，后處理得到不同流量時(shí)風(fēng)機(jī)的靜壓及全壓效率結(jié)果，擬合靜壓-流量特性曲線及靜壓效率-流量特性曲線，數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下圖6所示。

由靜壓-流量曲線可看出，在低靜壓區(qū)域后彎葉片流量更大，隨著靜壓增大后彎葉片流量急劇下降，徑向葉片和前彎葉片穩(wěn)定工作區(qū)域更大，隨著前彎角度增大，同轉(zhuǎn)速下葉片做功能力有所下降。

由圖7靜壓效率-流量曲線可看出，隨著流量增大，靜壓效率均呈現(xiàn)出先上升后下降的特征，其中后彎葉片的最大效率值略高徑向葉片和前彎葉片。效率峰值及右側(cè)區(qū)域?yàn)槿~片最佳工況點(diǎn)附近，具有良好的內(nèi)部流場(chǎng)。當(dāng)流量從峰值降低至左側(cè)區(qū)域后，由于翼型表面產(chǎn)生邊界層分離，出現(xiàn)失速現(xiàn)象，葉尖前緣此部分出現(xiàn)漩渦，風(fēng)機(jī)全壓隨之下降。

如考慮到整車設(shè)計(jì)工況，高速路況下，車頭進(jìn)風(fēng)可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各零部件及空調(diào)系統(tǒng)大部分散熱需求，風(fēng)扇處于低速工作狀態(tài)，不同葉片間氣動(dòng)性能區(qū)別對(duì)散熱系統(tǒng)影響較小;怠速條件下，整車風(fēng)阻值初步估算150pa～200pa，前彎葉片和徑向葉片在相同功率下流量更大，效率更高，綜合性能更為適配該區(qū)域。

3.2 葉片氣動(dòng)噪聲分析

為驗(yàn)證風(fēng)扇噪聲性能，本文試驗(yàn)采用半消聲室對(duì)CNC加工制作的快速成型樣件進(jìn)行噪聲性能測(cè)試，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，分別在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)側(cè)1m處布置麥克風(fēng)，測(cè)試結(jié)果如下表2所示：

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，前彎風(fēng)葉噪聲結(jié)果好，同時(shí)在風(fēng)阻更高的工況下綜合性能更好，后彎葉片聲壓級(jí)最大，但在汽車來(lái)流較大的高速路況，即低靜壓區(qū)域，由于流量更大、效率更高，可通過(guò)降低轉(zhuǎn)速的改善噪聲。

同時(shí)將三種葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇更換到整車上面進(jìn)行噪聲測(cè)試和主觀評(píng)估，噪聲測(cè)試結(jié)果如下表3：

整車測(cè)試結(jié)果顯示，前彎葉片無(wú)論是聲壓級(jí)還是Tonal Noise都優(yōu)于其他兩種葉片，主觀評(píng)估前彎葉片噪聲降低明顯。

4 結(jié)論

1.論文以國(guó)內(nèi)某款乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇葉片為研究對(duì)象，利用Navier-Stokes 方程和κ-ε湍流模型，建立計(jì)算模型，使用Fluent仿真軟件對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算模型果的準(zhǔn)確性;

2.通過(guò)變型設(shè)計(jì)方法，對(duì)比了三種不同葉片型式的氣動(dòng)性能，在低靜壓區(qū)域后彎葉片流量更大，隨著靜壓增大后彎葉片流量急劇下降，徑向葉片和前彎葉片穩(wěn)定工作區(qū)域更大，隨著前彎角度增大，同轉(zhuǎn)速下葉片做功能力有所下降;

3.建立高效彎掠葉片風(fēng)扇模型，通過(guò)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整車怠速工況下，前彎葉片擁有更好的氣動(dòng)性能及氣動(dòng)噪聲，在本車型中噪聲相比后彎葉片可降低3dB左右，可針對(duì)不同工況需求對(duì)葉輪進(jìn)行選型，為整車?yán)鋮s風(fēng)扇的優(yōu)化匹配提供了依據(jù)。

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