基于CFD的发动机冷却风扇性能仿真分析

朱传敏，吴秀丽

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

汽车发动机冷却风扇是发动机冷却系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响发动机的功能及寿命.同时风扇消耗的功率占到发动机输出功率的5%～8%，随着人们对汽车的燃油经济性的要求不断提高，改善风扇性能，提高风扇效率成为汽车发动机冷却风扇结构优化的重要方向［1］.

传统风扇优化方法基于大量试验研究，开发周期长、成本高.随着CFD技术和计算机硬件的不断发展，基于三维RANS湍流模型的计算优化技术得到广泛运用.MOREAU等［2］在1997年利用CFD对汽车冷却风扇进行设计计算，并通过试验验证模型正确.何奇等［3］利用CFD软件对汽车发动机冷却风扇进行流场计算，实现了对风扇性能的初步检验.孙晓峰［4］研究了叶片不等距分布对风机气动性能的影响，得出不等节距叶片的最佳布置规律.吴敏［1］等通过对风扇内部压力场和速度场的研究，分析得出叶尖间隙是造成风扇效率低下的重要原因，并提出应减小叶尖间隙或安装旋转环提高风扇性能.董效彬等［5］利用Fluent软件研究不同翼型截面对风扇性能的影响.LEE等［6］通过响应面法研究低速轴流风扇叶片倾角、叶片厚度和叶片最大厚度位置对风扇效率的影响规律，得出叶片倾角对风扇效率的作用效果较明显.

总结上述研究成果可以得出，风扇结构对风扇的性能影响较大，因此分析风扇结构对性能的影响规律对指导风扇结构优化设计具有重要意义.本文通过三维建模，建立风扇气动性能计算CFD模型，对风扇进行流场分析，并研究风扇叶片倾角、轮毂比和叶片数对风扇气动性能的影响，从而指导风扇的改进设计.

1 风扇三维模型

某款汽车发动机冷却风扇外径为280mm，轮毂直径为90mm，叶片数为8，叶片倾角为32°，其三维简化模型如图1所示.

图1 风扇三维简化模型Fig.1 Simplified 3－D model of engine cooling fan

2 计算流体动力学基本原理

2.1 控制方程

流体流动要受到物理守恒定律的支配，需满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律.由于流过冷却风扇的空气马赫数小于0.3，故可以将空气视作不可压缩流体处理.分析计算时流动中因摩擦产生的热量非常少，故不考虑能量守恒.

质量守恒方程：

式中：u，v，w分别为坐标轴x，y，z方向上空气的流速.

动量守恒方程：

式中：ρ为空气密度；μ为动力黏度；p为流体微元体上的压力；t为时间；Su，Sv和Sw是动量守恒方程的广义源项，对于黏性为常数的不可压流体，Su，Sv和Sw分别为微元体上x，y和z方向上的力.

2.2 湍流模型

风扇流场的计算采用RNGκ－ε湍流模型，它通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转和旋流流动情况，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动.湍流模型如下：

式中：κ，ε分别为湍动能和耗散率；Gκ为由平均速度梯度引起的湍动能κ的产生项，Gκ＝μt·

3 风扇仿真模型

3.1 风扇仿真模型的建立

将风扇模型导入Flunet前处理软件Gambit，按照风扇性能试验要求建立CFD仿真模型.该模型分4个部分：进口区、出口区、旋转流体区和管道区.考虑到发动机冷却风扇仿真模型内部不同区域流场的变化情况不同，故采用分区划分网格的方法.旋转流体区网格尺寸较小，管道区网格尺寸稍大，入口区和出口区网格最大.划分网格后的模型如图2所示.

3.2 边界条件的设定

风扇通流区域边界条件主要有壁面边界条件、进口边界条件、出口边界条件，另外旋转流体区是4个区域中唯一“动”起来的区域，区域类型定义为流体.进口和出口分别设置为压力入口和压力出口.进口处给定流动总压为大气压力，定义出口处压力相对大气压为0，采用旋转坐标系法设定风扇转速为2 500r·min－1.

图2 风扇CFD仿真模型Fig.2 CFD simulation model of engine cooling fan

4 仿真结果分析

4.1 风扇性能总体分析

通流区域空气流线图如图3所示.气流在入口区基本处于层流流动，经过风扇作用后气流速度发生改变，呈螺旋状向出口流出.图4为风扇表面速度矢量图.由图4可知气流经过风扇，流动方向改变，随扇叶发生旋转，且在叶尖处获得较大的旋转速度.

图3 通流区域空气流线图Fig.3 Air stream of flow field

图4 风扇表面速度矢量图Fig.4 Velocity vector on the surface of fan

图5为x＝0截面压力分布云图.气流在经过风扇后压力呈不均匀分布，出口区直径接近风扇直径处压力较大，其他直径处压力较小.随着气流向出口流动，各区域压力逐渐趋于一致.同时，从图5中可以看出，由于空气动压不足，出口区沿轴线形成一个负压区.出口区局部速度矢量图如图6所示.从图6中可知，在负压区气体产生了回流，这将导致风扇效率降低.

4.2 风扇结构参数对风扇性能的影响

根据轴流通风机的设计要求并总结前人关于汽车冷却风扇结构分析结果，选取合适的风扇结构参数变化范围，如表1所示.改变风扇结构参数，通过仿真计算并，分析其对性能的影响规律.

图5 x＝0截面压力分布云图Fig.5 x ＝0sectional pressure contours

图6 x＝0截面速度矢量图Fig.6 x＝0sectional velocity vector

表1 风扇结构参数取值区间Tab.1 Fan structure parameter value interval

（1）风扇轮毂比的影响.改变风扇轮毂比，分析其对风扇流量和全压效率的影响，如图7所示.

图7 轮毂比对风扇流量和效率的影响Fig.7 Influence of hub ratio

分析图7可知，在0.28～0.36区间内，随着轮毂比的增大，风扇流量呈递减趋势，效率总体也呈下降趋势.由于风扇轮毂比增大会使气体有效通流面积减小，在风扇转速一定时单位时间内通过风扇的气体质量也随之减小.轮毂比过小会引起叶片根部的附面层分离，使风扇压力降低，影响风扇效率［8］.

（2）风扇叶片倾角的影响.改变风扇叶片倾角，分析其对风扇流量和全压效率的影响，如图8所示.

图8 叶片倾角对风扇流量和效率的影响Fig.8 Influence of blade angle

由图8可知，在25°～45°范围内，风扇流量随着叶片倾角的增大呈递增趋势，且增大速率逐渐变小.效率随着叶片倾角的增大先增大后减小，在35°附近取得最大值.

（3）风扇叶片数的影响.改变风扇叶片数，分析其对风扇流量和全压效率的影响，如图9所示.

图9 叶片数对风扇流量和效率的影响Fig.9 Influence of blade number

由图9可知，在5～9区间内，风扇流量随叶片数的增大呈增大趋势.这是由于叶片数增大使得叶片对空气的作用面积增大，从而加大空气流量.而风扇效率随着叶片数的增大先增大后减小.这是由于叶片数过大将导致叶片流道等值扩散角的变大，从而增加动能转变为静压能时的附加损失，使得风扇压力和效率下降.

5 结论

本文通过流体动力学计算分析，得出风道内部流场分布，并对风扇的气动性能进行了初步评估，分析了风扇结构对风扇流量和效率的影响规律，得出以下结论：

（1）利用计算流体动力学方法对风扇性能进行模拟计算，得到风道内部流场的分布规律，成本低效率高，具有很好的分析应用价值.

（2）流场分析发现风道出口区存在一个负压区，并且引起了气体回流，这将影响风扇的效率和振动噪声.

（3）改变风扇轮毂比、叶片倾角和叶片数，得出不同参数值对风扇流量和效率的影响.结果表明：在试验点，风扇流量分别在轮毂比为0.28、叶片倾角为45°、叶片数为9时取得较大值；而风扇效率分别在轮毂比为0.3、叶片倾角为35°、叶片数为8时取得较大值.风扇结构性能优化需要综合考虑流量和效率两个方面，选取最合适的结构参数.

［1］吴敏，王益友，上官文斌，等.发动机冷却风扇气动性能的计算方法［J］.汽车技术，2009（增刊）：8－11.WU Min，WANG Yiyou，SHANGGUAN Wenbin，et al.A method for calculating aerodynamic performances ofengine cooling fans［J］.Automobile Technology，2009（sup）：8－11.

［2］MOREAU S，BENNETT E.Improvement of fan design using CFD［EB／OL］.［2013－12－26］.http：∥papers.sae.org／970934／.

［3］何奇，毛建国，何小明.汽车发动机冷却风扇性能的CFD分析［J］.汽车科技，2009（1）：46－48.HE Qi，MAO Jiangguo，HE Xiaoming.CFD analysis on performance of automobile engine cooling fan［J］.Auto mobile Science ＆ Technology，2009（1）：46－48.

［4］孙晓峰.不等距叶片风机气动声学特性的研究［J］.北京航空学院学报，1986（4）：137－145.SUN Xiaofeng.The aeroacoustic nature of unequally spaced fan［J］.Journal of Beijing Institute of Aeroaustic and Astronoutics，1986（4）：137－145

［5］董效彬，袁兆成，卢炳武，等.重型载货汽车高流量低噪声冷却风扇研究［J］.汽车技术，2009（4）：11－14.DONG Xiaobin，YUAN Zhaocheng，LU Bingwu，et al.Research on high flow rate ＆ low noise cooling fan of heavy duty truck［J］.Automobile Technology，2009（4）：11－14.

［6］LEE K S，KIM K Y，SAMAD A.Design optimization of lowspeed axial flow fan blade with three－dimensional RANS analysis［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22（10）：1864－1869.

［7］王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.WANG Fujun.Computational fluid dynamics—CFD software principles and applications［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.

［8］昌泽舟.轴流式通风机实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.CHANG Zezhou.Axial fan practical technology［M］.Beijing：China Machine Press，2005.