基于CFD的发动机冷却风扇气动性能仿真研究

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(一汽海马汽车有限公司 整车集成部,海口 570216)

发动机冷却风扇的作用是加速空气流动,使得散热器、冷凝器、中冷器等散热性能提高,因此，冷却风扇性能的优劣决定着汽车散热系统的好坏[1].风扇的气动性能参数包括流量、静压、功率及效率等.工程上一般使用风扇性能试验台架进行气动性能试验.气动性能试验能够得到风扇不同工况下的气动性能,便于风扇的选型、优化和对比[2].但是性能试验无法得到风扇流场的微观气动特征,且需要将风扇实际生产出来,导致效率低、成本高[3].CFD仿真分析克服了性能试验的这些缺点,为风扇的气动性能设计及测试提供了一种更方便、经济的方法[4].

1 FE模型搭建

1.1 风扇气动性能试验

为了使得搭建的FE模型与气动性能试验具有很强的对比性,必须对实验台架测试原理进行分析.

图1 风扇气动性能实验台架Fig.1 Aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

测试风扇固定在实验台架尾端的出风口,风扇通过自身的驱动电机带动旋转,把风从实验台方形腔体中抽出并排入实验室内.实验时,通过空速管测试风扇抽出的风量,同时，通过压力变送器测试风扇入口(实验台架方腔内)前端某处的静压,而风扇的轴功率则通过测试其自身驱动电机的输入电流及电压换算获得.

图2 风扇气动性能实验台架原理示意图Fig.2 Principle figure for aerodynamic performance test bench of engine cooling fan

实验时,通过控制实验台架前端鼓风机的进风量使得风扇入口的压力变化,从而测得不同压力下风扇的转速、风量、功率等.

1.2 FE模型搭建

从风扇气动性能实验可知,风扇的入口是人为控制的压力入口,入口处的空气流调整线网，保证了入口处压力变送器位置空气流的均匀性及压力的稳定性.因此，入口模型可以用一个覆盖风扇的长方体,其长度足够长，以保证从入口流入的空气流已经充分发展,流动已经稳定.

表1 风扇性能实验结果Tab.1 Test result of the fan performance

图3 计算域FE模型Fig.3 Computational domain and FE model

图4 风扇FE模型Fig.4 FE model of cooling fan

风扇排出的气流是直接流入实验室内,这相当于一个自由出口,因此，风扇出口设置为一个零压力出口.如果直接在风扇出口设置成零压力出口,出口处的压力梯度将会非常大,仿真结果失真.因此,在出口处设置一个5 000 mm×3 000 mm×2 600 mm的长方体域,以模拟自由出口.

2 仿真模型选择及参数设置

2.1 仿真模型选择

本文使用的仿真软件是汽车行业常用的商业软件Star CCM+,该软件具有良好的计算精度.本文研究的空气流动属于低速流动范畴(即Ma<0.3),空气的压缩性接近零,因此，选择常密度气体模型,气体密度为试验测试值1.185 kg/m3.因计算模型中包含有风扇的旋转,湍流模型选择考虑旋转的RealizableK-ε模型.压力、动量、湍流耗散率等均采用二阶迎风格式离散[5].

2.2 风扇模拟方法

在Star CCM+中,对于风扇的模拟有3种方式,分别为滑移网格法、风扇动量源法、多重参考系法[6].滑移网格法适用于瞬态计算,风扇动量源法无风扇实体模型,是依赖实验数据进行风量的模拟,出风不真实.

本文中风扇有实体模型,且为稳态计算,因此，采用多重参考系模型.该模型的基本思想是把风扇内流场简化为叶片在某一位置的瞬时流场,将非定常问题用定常方法计算.转子区域的网格在计算时保持静止,在惯性坐标系中以作用的科氏力和离心力进行定常计算,而定子区域是在惯性坐标系里进行定常计算.在两个子区域的交界面处惯性坐标系下的流体参数,保证交界面的连续性,达到用定常计算来研究非定常问题的目的[2].

2.3 参数设置

入口边界条件:为与实验设置保持一致,设定入口为质量流入口(以实验测试的质量流作为输入),并监测风扇入口处的压力数值.

出口边界条件:计算模型出口设置为压力出口,压力值为0.

壁面边界条件:其他边界都设置为默认的无滑移壁面边界条件,但风扇出口域的上、左、右壁面设置为滑移壁面;风扇区域设置旋转参考坐标系,并按照试验数值设定风扇转速,对未旋转的静止壁面设置为绝对静止.

3 仿真结果及对标分析

3.1 仿真结果

仿真结果是否收敛需要监测相关参数进行判断,本文重点关注的参数有计算域出口流量、风扇入口压力,因此，分别监测了这两个参数及残差,如图5～图7所示.

图5 残差监测Fig.5 Plots of residual

图6 计算域出口流量监测Fig.6 Plot of mass flow in outlet

图7 风扇入口压力监测Fig.7 Plot of pressure in outlet

图8和图9是计算域流线图.由图可知,空气被风扇从入口域方腔中吸出,然后旋转加速流入出口域自由方腔中.

图8 计算域流线图Fig.8 Streamline in computational domain

图9 风扇周边流线局部视图Fig.9 Streamline in the vicinity of the cooling fan

如图10所示,风扇吸风面是大量的负压区域,在叶片的前缘与外圈交接处,压力最小.如图11所示,风扇压风面是大量的正压区,即风扇的做功区域,在叶片的前缘压力最大.风扇叶片前缘靠外径方向区域正压、负压相差较大,是风扇回流的主要区域,即功率损失的主要区域.

图10 风扇吸风面压力云图Fig.10 Surface pressure for windward side of cooling fan

3.2 仿真结果与实验结果对比

风扇的主要气动性能指标是风量、压力、功率、效率等,因此，以它们为对比对象,对比结果如表2所示.

图11 风扇压风面压力云图Fig.11 Surface pressure for leeward side of cooling fan

表2 风扇气动性能实验仿真对比Tab.2 Comparison between the test and the simulation of the fan performance

由图12和图13所示,实验与仿真的风扇压力流量曲线、风扇效率流量曲线趋势基本一致,且在流量为1.0～1.4 kg/s范围内,即风扇静压在50～90 Pa之间.实验值与仿真值很接近,在该工作压力下,风扇流量误差在8%以内.

图12 风扇压力流量曲线Fig.12 Pressure-flow curve of cooling fan

图13 风扇效率流量曲线Fig.13 Efficiency-flow curve of cooling fan

通过统计该车型风扇在怠速及爬坡工况的风扇静压,得出其工作静压在60～80 Pa之间(仿真精度在5%以内),而高速工况风扇对整个散热模块影响很小,甚至风扇关闭不工作,故未做统计.

4 结语

本文运用Star CCM+搭建了风扇性能试验仿真平台.通过仿真结果与实验结果对比,得出两者气动性能的变化趋势一致,且在风扇的真实工作压力范围内,仿真精度在可接受的范围内.证明了本文搭建的风扇模型是可靠的,该模型可用于三维发动机舱流场的模拟,同时,也可为风扇的设计提供指导.

参考文献:

[1] 上官文斌,吴敏,王益有,等.发动机冷却风扇气动性能的计算方法[J].汽车工程,2010,32(9):709-802.

SHANGGUAN W B,WU M,WANG Y Y,et al.Calculation method the performance of engine cooling fans[J].Automotive Engineering,2010,32(9):709-802.

[2] 赵广银.冷却风扇流场数值模拟[D].上海:东华大学,2014.

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[3] 张代胜,李浩,蔡少波.基于CFD的发动机冷却风扇仿真优化研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2013(9):1029-1033.

ZHANG D S,LI H,CAI S B,et al.CFD-based simulation and analysis on engine cooling fan performance[J].Journal of Hefei University of Technology (Natural Science),2013(9):1029-1033.

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MENG Q L,YIN M D,ZHU C X,et al.STAR-CCM+_based CFD simulation on engine cooling fan performance[J].Mechanical Engineering and Automation,2015(3):64-66.

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[6] 张宏基,葛媛媛.发动机冷却风扇的三维建模与CFD仿真分析[J].计算机与数字工程,2013(12):1996-1999.

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