车用冷却风扇安装位置对其性能影响的分析研究

2012-09-04徐锦华倪计民石秀勇吴孝勤钱小玲

汽车技术 2012年1期

徐锦华倪计民石秀勇吴孝勤钱小玲

（1.同济大学；2.上海柴油机股份有限公司）

1 前言

汽车前端冷却模块各零部件间的相对安装位置对冷却模块性能影响很大，对于较为简单的前端冷却模块而言，其主要安装参数包括散热器与中冷器间距离、风扇伸入风扇罩轴向距离、整个前端冷却模块与发动机之间的距离、风扇与散热器间距离、风扇与风扇罩径向间隙等。轴流风扇安装参数对其性能的影响在微型风扇（CPU风扇）领域研究较多[1]，而对车用冷却风扇的研究并不多见。国内的研究主要从风扇本身结构出发，从不同叶型、转毂比、风扇叶片数、风扇安装角度及叶片夹角等方面考察对风扇通流性能和噪声的影响[2]。国外Taylor[3]等人采用风筒试验方法研究了安装参数对冷却系统性能的影响。结果表明，风扇径向间隙、风扇伸入风扇罩轴向距离、风扇与散热器之间的距离对冷却系统性能影响非常大，而风扇与发动机之间距离对冷却性能的影响较小。Peter Gullberg[4]等人对某款750 mm风扇进行CFD仿真，所得模拟结果与试验值最大误差达25%，由此提出对风扇仿真转速进行修正的想法。将风扇输入转速提高14%后，得到结果与试验结果较为吻合。Allan Wang[5]等人则对不同MRF（Multiple Reference Frame）区域的大小对风扇性能的影响进行了研究。结果表明，轴向区域的大小对计算结果影响很小，而径向尺寸对结果影响比较大，因此建议在有风扇罩的情况下，选择MRF径向直径为1/2风扇外径与风扇罩外径之和。本文利用所建立的某风扇的三维风筒仿真模型对风扇径向间隙、轴向伸入距离进行了仿真分析。

2 风筒试验

试验风扇为某重型载货汽车用环形风扇（图1），其叶片数为8，直径为620 mm，轮毂直径为248 mm，轮毂比为0.4。风扇风筒试验（图2）根据文献[6]要求进行，其中风筒直径为640 mm，风扇入口静压测量点pe3离风扇距离为2750 mm。通过改变电机转速及节流装置的面积可得出不同转速、不同流量下风扇的静压值。

3 仿真模型的建立

3.1 三维模型及网格划分

根据实际风筒试验，风扇轴向完全伸入风筒内，与风筒的径向间隙为10 mm，风筒出口通向大气，因此，本文所建三维模型进口段长度为3000 mm，直径为640 mm；对于风扇出口段，参照试验室空间大小，建立了高度和宽度均为4000 mm、长度为6000 mm的长方体来模拟试验时风扇出口通向大气的情况。同时，为起到稳压作用，加快计算收敛，建立一个过渡段，过渡到截面为1000 mm的正方形，最后出口延长段为3000 mm。如图3所示，模型共分为5部分，其中风扇旋转区域及中间段划分为四面体网格，其他部分划分为六面体网格，模型总网格数为500万个。

3.2 参数设置及计算过程

采用商用软件Fluent对模型进行边界设定和计算。将模型进口边界设为流量入口，出口边界设为压力出口，出口静压设定为0，风扇转速为2000 r/min，风扇壁面为旋转壁面。同时，将空气视为不可压缩流体，压力速度耦合方程组采用SIMPLE算法，湍流模型采用标准κ-ε模型。

因为在建立三维模型时风筒出口段加入了过渡段，必然会引起压力的损失，对计算结果造成一定的影响。因此本文在进行模拟计算时分2步进行计算，初次计算设定一阶精度，出口静压为0，待计算收敛后查看Z=6000 mm平面静压值；将出口边界改为负值（其绝对值等于Z=6000 mm平面静压值），将计算精度调为二阶精度再次进行计算，然后考察Z=6000 mm平面的静压值。由图4可以发现，再次计算后其值较接近于0。2次计算目的是使得模拟风扇的出口（静压为0）可近似认为Z=6000截面，更接近于实际试验情况，以下所有计算均采用上述过程。

4 仿真值与试验值的对比

设定风扇转速为2000 r/min，选取6个质量流量点进行仿真计算，并将计算值与试验值进行了对比，结果如图5所示。从图5可以看出，在中低流量下仿真值低于试验值，而在高流量下仿真值稍高于试验值，但仿真值的变化趋势与试验值基本一致。产生误差的原因一方面是由于本身测量设备存在的系统误差，但更主要的是由于三维仿真不能够完全得出空气的流动形态，特别是在低流量的情况下。

在低流量情况下风扇本身的静压效率（图6）较低，实际车辆上的风扇运行工况很少达到低流量区域[7]。而通过图5中仿真值与试验值对比发现，在3.01～5.10 kg/s 4个流量点内，最大误差为10%，最小误差4%，基本满足工程应用要求。因此，对3.01～5.10 kg/s 4个质量流量点进行详细分析计算。

图7和图8分别为风扇压力面和吸力面的静压分布。从图中可以看出，风扇压力面的静压沿着风扇叶片流道方向逐渐增加；风扇吸力面静压在叶尖形成一个低静压区域，压力逐渐向叶根方向增加。图9为空气流经风扇对其做功后在中间段和出口段内的流动。由于出口压力相对风筒内的压力较大，风扇出口的流线往径向方向偏移，然后在长方体空间的限制下从出口延长段内流出。

5 不同安装参数分析

5.1 轴向伸入距离

分别对风扇8种轴向伸入距离（图10）进行计算，结果如图11所示，其中轴向伸入距离90 mm为上面已验证的模型。从图11可以看出，风扇的静压随着轴向伸入距离的增加而增加，超过75 mm之后，风扇的性能具有相反的趋势。

从图11还可以看出，风扇在同一转速下，设定进口流量越大，对轴向伸入距离的变化越敏感，在流量为5.10 kg/s的情况下，最大值与最小值差值达到40%。

图12和图13为质量流量5.10 kg/s时，轴向伸入距离分别为75 mm和45 mm情况下，Z=105 mm（风扇后方10 mm）平面的空气流动速度分布。从图中可以看出，轴向伸入距离75 mm时该平面的最大速度与轴向伸入距离为45 mm相比大6.5 m/s，最大速度增加7.7%，说明轴向伸入距离为75 mm时，更能发挥出风扇本身的做功能力。同时该平面的空气流动形态能够更好地“跟随”风扇的旋转运动。综上仿真结果表明，该风扇的轴向伸入距离75 mm为佳。

5.2 径向间隙

在轴向伸入距离为75 mm情况下，分别对径向间隙为 10、15、20、25、30 mm 和 35 mm 6 种情况进行了模拟计算，结果如图14所示。从图14中可以看出，随着径向间隙的增大，同一流量下风扇静压不断下降；同时，流量越大，径向间隙越大，则风扇静压值下降越快，流量为5.10 kg/s情形下，径向间隙从10 mm增大到35 mm，风扇静压下降超过39%。

由于径向间隙的存在，一方面风扇叶片凹面的压力大于凸面的压力，使得气流从凹面流向凸面，在径向间隙形成漩涡[8]；另一方面由于风扇的出口通向大气，其出口侧压力大于进口侧压力，使得气流逆着主气流的流动方向（图15），即由风扇后侧流向风扇前侧，从而降低了风扇的静压。

径向间隙越大，风扇性能降低，因此希望风扇与风扇罩之间的径向间隙越小越好。但是在实际工况中，由于路面激励及汽车本身机械运动产生振动，若风扇罩与风扇间隙过小，可能会导致风扇叶片与风扇罩在车辆行驶过程中产生干涉。根据图14的仿真结果可知，当径向间隙超过25 mm、流量为5.10 kg/s时风扇静压值急剧下降，当径向间隙为25 mm时，各流量下风扇的静压能够达到径向间隙为10 mm时静压的87%以上。综合考虑，在轴向伸入距离为75 mm时，径向间隙选取25 mm。

而选取径向间隙为25 mm，即为该模拟风扇直径的4%，与文献[9]推荐的径向间隙不得超过2.5%风扇直径产生了矛盾。为此，本文进一步对风扇轴向伸入距离为68 mm时的不同径向间隙对风扇性能的影响进行仿真分析。

根据图16的仿真结果表明，当风扇轴向伸入距离68 mm时，径向间隙超过15 mm之后，风扇的静压在流量为5.10 kg/s的情形下急剧下降。为此，轴向伸入距离为68 mm时，选取径向间隙应不得超过15 mm，其值为该风扇直径的2.42%。因此，同一风扇，不同的轴向伸入距离，对径向间隙的要求是不同的。