高海拔環(huán)境下扇葉安裝角對(duì)冷卻風(fēng)扇性能的影響

吉華，羅紅英，段宗幸，葉通騎，陳志

高海拔環(huán)境下扇葉安裝角對(duì)冷卻風(fēng)扇性能的影響

吉華1，羅紅英1，段宗幸2，葉通騎2，陳志2

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

使用Fluent軟件建立冷卻風(fēng)扇的數(shù)值計(jì)算模型，研究了海拔高度、安裝角對(duì)冷卻風(fēng)扇的所需功率和質(zhì)量流量的影響。由于在高海拔環(huán)境下空氣密度降低，引起流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的質(zhì)量流量減少，造成冷卻風(fēng)扇的散熱能力降低。同時(shí)，冷卻風(fēng)扇所需軸功率也下降，而電機(jī)輸出功率基本保持不變，造成輸入冷卻風(fēng)扇的動(dòng)力不能完全利用。增加扇葉安裝角，風(fēng)扇的質(zhì)量流量增加，同時(shí)軸功率也會(huì)上升。所以在高海拔條件下，增大扇葉安裝角，可以不增加輸入風(fēng)扇動(dòng)力，同時(shí)提高風(fēng)扇的散熱能力。最后，基于計(jì)算結(jié)果，給出了不同海拔高度下扇葉安裝角的計(jì)算方法和示例。

高海拔；扇葉安裝角；軸功率；散熱能力

我國擁有世界上面積最大的高原，2 km以上的高原占國土面積的33%，3 km以上的占26%。這些地區(qū)的建設(shè)需要各類工程機(jī)械。在高海拔地區(qū)，因?yàn)榭諝饷芏鹊南陆?，造成裝備動(dòng)力艙流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的空氣質(zhì)量流量減少，散熱能力大幅低于設(shè)計(jì)要求[1]。劉建敏等[2]利用GT-suite軟件建立了某裝甲車輛柴油機(jī)工作過程模型和冷卻系統(tǒng)模型并進(jìn)行耦合，結(jié)果表明冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量平均減小11.20%，是引起柴油機(jī)出口水溫升高的原因，并提出了在海拔2600 m以上時(shí)必須降負(fù)荷或提高冷卻系統(tǒng)散熱能力后使用的建議，但是沒有提出具體機(jī)械結(jié)構(gòu)上改進(jìn)措施?所以有必要研究高海拔條件下冷卻風(fēng)扇的工作特性以及改進(jìn)方法。

高海拔造成流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的質(zhì)量流量減少，也會(huì)造成所需軸功率的下降，而電機(jī)輸出功率基本保持不變。扇葉安裝角的增加，可以帶來質(zhì)量流量的增加，風(fēng)量亦會(huì)增大，同時(shí)軸功率、整體功耗增加[3]。將這兩點(diǎn)結(jié)合起來，增大扇葉安裝角，可達(dá)到在充分利用輸入風(fēng)扇動(dòng)力的同時(shí)，增大流經(jīng)風(fēng)扇的質(zhì)量流量，提高散熱能力。目前針對(duì)高海拔條件下冷卻風(fēng)扇的研究以及改進(jìn)建議較少。所以本文以冷卻風(fēng)扇為研究對(duì)象，使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了海拔高度、扇葉安裝角對(duì)冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量和所需軸功率的影響，并給出了扇葉安裝角的改進(jìn)建議。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

圖1為某冷卻風(fēng)扇的三維模型，幾何參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)參數(shù)中，扇葉安裝角改變，其它不變。

表1 冷卻風(fēng)扇具體參數(shù)

圖1 冷卻風(fēng)扇三維模型

1.2 流場(chǎng)模型

流場(chǎng)模型參考風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)建立，主要分為兩部分組成，如圖2所示。第一部分為完全包裹風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)域，設(shè)風(fēng)扇進(jìn)出口對(duì)流場(chǎng)的影響區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口40 mm、出口40 mm，則旋轉(zhuǎn)域總長為80 mm。第二部分為外流場(chǎng)域，目的是為了保證壓力的平穩(wěn)過渡，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)壓力值突變以及回流的情況。風(fēng)扇流場(chǎng)模型的幾何參數(shù)如表2所示。

圖2 流場(chǎng)模型

表2 流場(chǎng)模型各區(qū)域幾何參數(shù)

1.3 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分和無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格類型采用四面體，采用Tetrahedrons進(jìn)行劃分，劃分算法采用Patch Conforming。對(duì)于外流場(chǎng)域，設(shè)置網(wǎng)格體尺寸為12 mm；對(duì)于旋轉(zhuǎn)域，將整體網(wǎng)格進(jìn)行加密，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1 mm，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)域細(xì)化網(wǎng)格橫截面

由于采用了穩(wěn)態(tài)模擬，所以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。不同網(wǎng)格劃分與計(jì)算結(jié)果如表3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從1.15×106到4.25×106，冷卻風(fēng)扇的功率變化不大，均在可接受的誤差范圍內(nèi)，綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度，選用了2.52×106的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行最終的計(jì)算。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.4 數(shù)值計(jì)算方法設(shè)置

選用SIMPLE算法和Realizable湍流模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，控制方程采用二階迎風(fēng)格式。由于使用穩(wěn)態(tài)算法，故旋轉(zhuǎn)域采用Frame Motion，旋轉(zhuǎn)速度2300 r/min。由于風(fēng)扇氣流出口與環(huán)境相通，故出口邊界條件選用表壓為0的pressure outlet（壓力出口）邊界條件。對(duì)于入口邊界條件，目前主要選用的邊界條件為pressure inlet（壓力入口）[4-5]和mass flow rate（質(zhì)量流量入口）[6-7]。由于Fluent邊界條件選擇的原則是有利于計(jì)算的收斂，且本模型中的流場(chǎng)模型進(jìn)出口均與大氣相通，故進(jìn)口邊界條件選用表壓為0、絕壓為該海拔下的大氣壓的pressure inlet（壓力入口）邊界條件。

由于空氣黏度隨海拔高度變化不大，故空氣黏度設(shè)為常數(shù)。

不同海拔下的大氣壓力p的計(jì)算式[8]為：

式中：0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，Pa；為海拔高度，m，44 300、5.256為定值[8]。

不同海拔下的空氣密度H的計(jì)算式[9]為：

式中：0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；為空氣溫度梯度，取值為0.0065 K/m；0為絕對(duì)溫度，值為273 K；4.26為定值[9]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 海拔高度對(duì)流量和所需軸功率的影響

當(dāng)安裝角一定時(shí)，在任何海拔高度下，風(fēng)扇的速度三角都是一樣的，也就是說影響體積流量的主要因素沒有改變，所以在表4中體積流量相差不大。隨著海拔高度的上升，由于空氣密度下降，所以質(zhì)量流量下降；同時(shí)由于質(zhì)量的降低，在其他條件沒有改變的前提下，驅(qū)動(dòng)氣體所需的作用力也減少了，所以所需軸功率下降。

表4 流量和功率隨海拔高度的變化（θ＝30°）

注：q為體積流量；q為質(zhì)量流量；為軸功率，從Fluent軟件中讀取出扭矩T（N·m），采用＝T×/9.55計(jì)算得到。

我國海拔3 km以上的高原有250萬平方公里；川藏公路海拔3 km以上的路段有1245 km、占總里程的50%以上；新藏公路全線平均海拔4.5 km以上，海拔在4 km以上路段有915 km，約占總里程的78%，海拔5 km以上路段約占總里程的11%。從表4中可以看出，當(dāng)海拔高度＝3 km時(shí)空氣密度、質(zhì)量流量、所需軸功率分別為0海拔時(shí)的72.93%、68.67%、64.02%，而當(dāng)海拔高度＝4 km時(shí)僅為65.27%、57.66%、53.57%。在這些廣闊地區(qū)工作的冷卻風(fēng)扇，一方面，由于散熱量與風(fēng)扇的質(zhì)量流量正相關(guān)[10]，質(zhì)量流量的下降將會(huì)帶來散熱能力的大幅下降，可能造成主機(jī)因此失效；另一方面，隨著海拔高度的上升，所需軸功率也將下降，輸入風(fēng)扇的動(dòng)力不能充分利用。

2.2 扇葉安裝角對(duì)質(zhì)量流量及所需軸功率的影響

在同一海拔下，當(dāng)扇葉安裝角增大時(shí)，扇葉的迎風(fēng)面積增大，使得體積流量增大，進(jìn)而質(zhì)量流量增大；同時(shí)由于氣體與扇葉因撞擊產(chǎn)生的阻力增大，為克服阻力，冷卻風(fēng)扇所需軸功率也隨扇葉安裝角的增加而增大。從圖4可以看出，隨著扇葉安裝角的增大，雖然風(fēng)扇的質(zhì)量流量和所需軸功率增大的速度不一樣，但是都有所增加。從前文可知，隨著海拔高度的上升，所需軸功率也將下降。所以增大扇葉安裝角可以在利用外部輸入功率的同時(shí)，增大風(fēng)扇的質(zhì)量流量，從而增大風(fēng)扇的散熱能力。

2.3 不同海拔下的扇葉安裝角

針對(duì)本文幾何模型，對(duì)扇葉安裝角為30o、37.5o、45o、52.5o、60o的風(fēng)扇所需軸功率，在0.0 km、1.0 km、2.0 km、2.5 km、3.0 km、3.5 km、4.0 km、5.0 km海拔條件下，進(jìn)行了計(jì)算，得到數(shù)據(jù)如圖5所示，并做100 W橫線，與各條數(shù)據(jù)線有交點(diǎn)，交點(diǎn)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的角度值為該條數(shù)據(jù)線所在海拔高度下的扇葉安裝角。這種方法就是采用線性插值，以在各海拔下所需軸功率100 W為目標(biāo)，得到各海拔下的扇葉安裝角，具體的扇葉安裝角數(shù)值如表5所示。

圖4 扇葉安裝角對(duì)所需軸功率和質(zhì)量流量的影響（H＝0 km）

圖5 不同海拔高度下扇葉安裝角對(duì)所需功率影響

表5 不同海拔下的扇葉安裝角（100 W）

3 小結(jié)

（1）在高原環(huán)境下工作的冷卻風(fēng)扇，由于空氣密度的下降，質(zhì)量流量降低，所以散熱能力下降。冷卻風(fēng)扇扇葉安裝角在一定范圍內(nèi)增加，能夠在不增加動(dòng)力源輸入的前提下，增加風(fēng)扇的質(zhì)量流量，提高風(fēng)扇的散熱能力。

（2）首先計(jì)算在不同海拔高度下，不同扇葉安裝角的冷卻風(fēng)扇所需軸功率；然后在保證所需功率不變的前提下，采用插值法，可以得到不同海拔高度下的風(fēng)扇扇葉安裝角。

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Influence of Blade Installation Angle on Fan’s Cooling Ability at High Altitude

JI Hua1，LUO Hongying1，DUAN Zongxing2，YE Tongqi2，CHEN Zhi2

(1.School of Hydraulic and Civil Engineering, Tibet Agricultural and Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China; 2.School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

On the basis of a numerical model of cooling fan developed in Fluent, the influences of the altitude and the blade installation angle on the mass flow rate and the required shaft power of this cooling fan are studied. The mass flow rate of the cooling fan decreases because the air density decreases at high attitude, which causes the decrease of the cooling ability. On the other hand, the required shaft power of the cooling pan decreases, which impedes the full utilization of the input power because the output power of electrical machinery barely changes. The mass flow rate and the shaft power of the pan increase when the blade installation angle increases. Therefore, when the blade installation angle increases, the cooling ability of the pan can be enhanced at high altitude without the increase of the input power of the pan. Finally, the calculation method and example of blade installation angle at different altitudes are introduced.

high altitudes；blade installation angle of fan；shaft power；cooling ability

TH42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.010

1006-0316 (2022) 10-0062-05

2021-11-29

西藏自治區(qū)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目（NYGCCRC-2022-01）

吉華（1972－），男，四川武勝人，博士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械，E-mail：jimjee@163.com。