风扇矩阵对冷却模块空气侧流场的影响

王宏朝+单希壮+杨志刚

摘要： 基于传统乘用车的单风扇系统，提出5种风扇矩阵形式，利用数值模拟技术分析不同矩阵形式对冷却模块空气侧流场的影响，结果表明：随着风扇数目的增加，冷却模块表面的速度均匀度皆表现出先减小后增大的变化趋势；N=4的风扇矩阵的速度分布均匀性最差，对应通过散热器的空气流量亦最小； N=15的风扇矩阵能够显著提升通过散热器的空气流量，相比原单风扇系统，空气流量提升15.6%。因此，在不降低散热器空气侧换热能力的前提下，采用该风扇矩阵形式能够使冷却系统的能耗降低，提高整车燃油经济性。采用风扇矩阵形式能够减少冷凝器前端的热回流区域，从而降低冷凝器迎风面的平均温度。

关键词： 数值模拟； 风扇矩阵； 冷却模块； 空气侧流场； 能耗

中图分类号： U464.1384 文献标志码： B

Effect of fan configuration on air-side flowfield of cooling module

WANG Hongchao， SHAN Xizhuang， YANG Zhigang

（Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： Based on the single fan configuration of a traditional passenger car， five kinds of different fan configuration are presented， and the analysis on the effection of different fan configuration on the air-side flow field are carried out using numerical simulation technique. The results show that： with the increased number of fans， the velocity uniformity on the surface of cooling module firstly decrease and then increase， especially， the velocity uniformity of fan configuration of N=4 is the worst， and the air mass flow through the radiator is also minimal； however， when N=15， the air mass flow through the radiator is significantly increased by 15.6% compared to the original single fan system. On the premise that the heat transfer capability of the radiator is not decreased， the power consumption of cooling system can be reduced， the fuel economy can be improved. Furthermore， the fan configuration can effectively suppress the hot-recirculation on the front of condenser， so the average temperature on windward surface of condenser can be reduced.

Key words： numerical simulation； fan configuration； cooling module； air-side flow field； power consumption

0 引 言

日趋严格的排放法规以及不断攀升的油价，使得乘用车发动机舱热管理逐渐成为各整车厂以及研究机构关注的重点。[1]与此同时，车身造型趋势的变化、高性能发动机的普及，以及新技术（增压中冷、废气再循环等）的应用也为发动机舱热管理提出新的需求。在燃烧过程中，发动机所产生的热量有将近30%以废热的形式通过冷却系统散发到外界大气中，而在车辆运行过程中，风扇是冷却系统中能耗最大的部件[2]，因此，对风扇进行优化是实现车辆节能减排的重要措施之一。

STAUNTON等[3]基于对先进热管理系统的研究表明，通过采用一组小尺寸的风扇组合来代替原有的单风扇系统，能够使冷却系统功耗明显降低。EMP公司为美国陆军特种运输车辆研发的智能热管理系统采用基于多风扇矩阵的分布式冷却系统，该系统能够保证车辆在低速行驶时仍具有充足的散热能力，同时能够降低冷却系统的整体能耗。[4]近年来，克莱姆森大学基于其所设计的6风扇矩阵，运用先进的非线性算法控制风扇的运转数目及转速，实现在不同的热负荷工况下风扇能耗最高可降低67%。[5-6]

本文基于某乘用车的传统单风扇冷却系统，提出不同的风扇矩阵形式，并分析各风扇矩阵形式对冷却模块空气侧流场的影响。

1 仿真设定

1.1 数值模型

采用某三厢乘用车1∶1整车数值模型，保留大部分的实车细节，忽略发动机舱中对流场影响较小的组件，如输电线、螺栓等。该车的冷却模块、发动机舱以及车身底部视图见图1。数值计算的湍流模型选择可实现的k-ε模型，该模型能够较准确地捕捉流动分离及预测车身外部气动阻力。计算域參照同济大学环境风洞进行创建，见图2。该风洞为3/4开口式风洞，包括收缩段、喷口、试验段、驻室、收集口以及扩散段，喷口面积为7 m2，车辆前端距离喷口1.7 m（参照实车试验布置），为避免出口边界出现回流进而影响计算稳定性，对扩散段进行延长，取15 m。模型的面网格划分采用三角形网格，体网格划分采用以六面体为核心的剪裁体网格，该网格类型在处理复杂的几何模型时具有较高的效率和鲁棒性[7]，近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment以减少对边界层网格质量的敏感性。具体各区域的网格尺寸设置见表1。对发动机舱、车身底部等关键区域进行局部网格加密，最终划分的体网格数目约为2 500万个。所有算例皆采用稳态计算，迭代5 000步后残差降至10-4数量级，认为计算收敛。endprint

1.2 边界条件设定

入口边界设为质量流量入口，出口边界设为分散流出口，壁面边界条件取固定壁面。散热器、冷凝器使用多孔介质模型，其黏性阻力因数和惯性阻力因数通过台架测试数据拟合得到，换热模拟采用单流体换热器模型，其换热量由实车试验结果给定。

风扇模拟采用多重参考系模型，对包围风扇叶片的流体区域设定旋转坐标系模拟风扇转动，风扇转速由试验中实际测得的转速给定。由于发动机舱内部各部件存在复杂的热交换，因此忽略辐射换热的影响，对于放热部件，将其设定为均匀的温度壁面边界。

1.3 数值模型验证

通过对比车辆前端总压验证仿真模型。在车头前端200 mm处安装总压排，该总压排共布置28个1 mm的总压管，验证试验在同济大学地面交通工具风洞中心的环境风洞中进行，见图3。

在近地面处（H<0.2 m），试验测得的地面边界层比数值模拟得到的地面边界层厚，而在核心射流区，仿真所得的总压分布与试验结果比较一致，两者的平均误差为1.14%左右。该误差主要是在试验过程中传感器等所产生的测量误差以及在建模过程中由于模型简化所引入的模型误差。因此，可认为该数值模型具有较高的模拟精度。

1.4 工况设定

选取怠速工况作为研究对象。在怠速时，车辆前端缺少冲压空气作用，冷却模块仅依靠风扇驱动的冷却空气进行换热。环境温度设为28 ℃，在入口边界给定一个微小的质量流量（1 kg/s）以保证数值计算的稳定性。[8]

2 风扇矩阵及其转速设计

为研究最优的风扇矩阵布置形式，在原有的冷却模块基础上进行改装，共设计N=2，4，6，8，15等5种风扇矩阵布置形式，见图5。矩阵中的小风扇与原单风扇系统的结构相同，仅直径不同。

冷却模块散热量由通过其表面的空气质量流量决定，冷却风扇的设计目标是在保证能耗尽可能少的前提下提供尽可能多的空气流量，因此，首先基于功率相似定律设计各风扇矩阵的转速，进而对比不同风扇矩阵所能实现的空气流量，从中选择最优的布置型式。

由于风扇矩阵中各个风扇属于并联布置，并联运行的总流量等于并联各风扇流量之和，总扬程与并联各风扇的扬程相等，通过风扇矩阵的空气质量Q和扬程H分别为

（2）式中：Qi为第i台风扇的流量；N为风扇个数。由于风扇矩阵中各个小风扇的转速和直径皆相同，可对整个风扇区域进行分隔，减少各个小风扇对应区域之间的相互干涉以及二次流的产生[9]，因此

由功率相似理论可知，风扇矩阵功率P与原单风扇系统功率P0的关系[9]为

式中：D为风扇叶轮直径；n为转速；γ为风扇的机械效率，其与风扇转速的三次方成反比，针对本文中的转速运行区间，可认为γ=γ0；D0，H0，Q0和n0分别为原单风扇系统的直径、扬程、流量和转速。文中D0=392 mm，怠速工况下风扇转速n0=1 760 r/min（环境风洞试验测得），各矩阵中的风扇尺寸由冷却模块的投影面积和风扇个数决定。

因此，在保证功耗相等的前提下，由式（5）可基于原单风扇系统的尺寸和转速推出各风扇矩阵的等效转速，见表2。

3 结果与分析

3.1 不同风扇矩阵对冷却模块空气侧的影响

3.1.1 散热器迎风面气流速度分布

不同风扇矩阵下散热器迎风面的气流速度分布见图6。由于怠速工况下冷却气流完全由风扇驱动，从图中可以明显区分出风扇区域对应的速度轮廓，在相同能耗下，不同风扇矩阵下的气流速度分布差异较大，其中N=4的风扇矩阵叶轮区域的速度最大，峰值速度达到4.94 m/s。此外，即使对各风扇区域进行分隔处理，由图中可以看出，各风扇之间仍存在明显的相互干涉，并伴随着二次流的产生，由此会造成散热器换热性能的降低。[10]

3.1.2 冷却模块表面气流速度均匀度

由于发动机舱的结构和布置复杂，冷却空气在到达换热器表面时会变得极不均匀，进而直接影响换热器的进气效率和换热性能。为分析不同风扇矩阵对冷却模块表面气流流动均匀度的影响，提出速度均匀度Φ作为评价指标，

式中：V为平均速度；Af为单元f的面积；Vf为单元f的速度。该指数越接近于1，表明气流速度分布越均匀。不同风扇矩阵形式下散热器和冷凝器表面的速度均匀度见图7。对于原单风扇系统，其散热器和冷凝器表面的速度均匀度差别不大。随着风扇数目的增加，其速度均匀度皆表现出先减小后增大的变化趋势，N=4时冷凝器和散热器的速度分布均匀度最差。当N≥6时，冷凝器迎风面的速度均匀度比原单风扇系统有明显提升，而当N=6和N=8时，散热器迎风面的速度均匀度仍低于原单风扇系统，当N=15时，其速度均匀度优于原单风扇系统。

造成冷却模块表面速度均匀度差异的原因是各个小风扇的运行工况点不同。发动机舱空间结构的复杂性使得风扇矩阵中各个小风扇所受的环境阻力不同。N=15的风扇矩阵所能实现的速度均匀度最高，表明其各个小风扇之间的环境阻力差异较小，即各个小风扇的运行工况点越相近，风扇矩阵的效率越高。

3.1.3 通过散热器的空气质量流量

在车辆运行过程中，发动机产生的热量由冷却液带至散热器，并通过热交换散发到外部空气中，冷却液在流经散热器后散发至空气中的热量为

式中：Cp为空气比热；m为流经散热器的空气质量流量；ΔT为冷却空气在散熱器前后表面的平均温差。由式（7）可以看出，通过散热器的空气流量是决定散热器换热性能的重要特征参数，仿真得到的不同风扇矩阵形式下通过散热器的空气流量以及基于相似定律推出的不同风扇矩阵形式的空气流量见图8。由此可见，采用N=2和N=15的风扇矩阵能够提升通过散热器的空气流量，其中，N=15的风扇矩阵优化效果最为显著，相比原单风扇系统，空气流量提升15.6%，而N=4和N=8的风扇矩阵反而使通过散热器的空气流量下降。对比基于相似定律推出的空气流量，两者之间的变化趋势基本一致，但仍存有明显的差值，最大可达17.7%，如N=15的风扇矩阵，由相似定律推出的空气流量为0.385kg/s，而实际仿真得到的空气流量为0.453 kg/s，由此可以说明通过散热器的空气流量不仅仅由风扇的基本性能决定，同时还受到冷却模块的布置形式、风扇与散热器的间距以及各风扇之间的干涉作用等因素的影响。endprint

對比图7和8还可看出，在不同风扇矩阵形式下，通过散热器的空气流量与其表面的速度均匀度存在明显的相关性，如：N=4的风扇矩阵，其散热器表面的速度均匀度最小，对应通过散热器的空气流量亦最低；N=15的风扇矩阵，其散热器表面的速度均匀度最大，对应通过散热器的空气流量亦最高。由此说明，优化冷却模块表面的速度均匀度可以有效提升通过冷却模块的空气流量，从而增加其空气侧的换热性能。

3.1.4 风扇矩阵对前端热回流的影响

车辆处于怠速时，由于冷却模块的换热仅靠风扇驱动的空气，此时往往会伴随着热回流现象的产生，造成冷凝器迎风面的平均温度上升，从而影响换热性能。冷凝器迎风面的温度分布见图9和10。

由此可以看出，怠速工况下，该车冷却模块存在显著的热回流现象。由于密封性不佳，从散热器流出的高温冷却空气经过冷却模块两侧又回流至冷凝器表面，使得冷凝器迎风面左右两端的温度上升。由图9还可看出，相比原单风扇系统：采用风扇矩阵形式（N=4风扇矩阵除外）能够减小冷凝器前端的热回流区域，从而降低冷凝器迎风面的平均温度；N=8的风扇矩阵温度降幅最大，由单风扇系统下的44.58 ℃降至38.00 ℃，说明冷凝器的换热性能得到有效改善。

3.2 风扇矩阵对冷却系统能耗的改善

由3.1节的分析可以看出，对比原单风扇系统，N=15的风扇矩阵在相同能耗的前提下使通过散热器的空气流量提升15.6%，由此可以在不降低空气侧散热能力的前提下，通过降低风扇转速来减少风扇能耗。此外，对于N=6的风扇矩阵，其散热器表面的速度均匀度低于原单风扇系统，而通过散热器的空气流量基本相同，所以可以在前端增加导流装置来提高冷却模块表面的速度均匀度，进而提升风扇运行效率。采用合适的风扇矩阵形式，能够降低冷却系统的寄生损失，进而提高整车的燃油经济性。

4 结 论

对传统乘用车的单风扇冷却系统进行改造，共设计5种风扇矩阵形式，并利用数值模拟技术分析不同矩阵形式对冷却模块空气侧流场以及冷却系统能耗的影响，结果如下。

（1）随着风扇数目的增加，冷却模块表面气流的速度均匀度皆表现出先减小后增大的变化趋势，其中N=4风扇矩阵的气流速度分布均匀性最差。

（2）采用N=2和N=15的风扇矩阵能够提升通过散热器的空气流量，其中N=15的风扇矩阵优化效果最为显著，与原单风扇系统相比，空气流量提升15.6%。

（3）采用风扇矩阵（N=4风扇矩阵除外）能够减少冷凝器前端的热回流区域，从而降低冷凝器迎风面的平均温度。

（4）在不降低散热器空气侧散热能力的前提下，采用N=15的风扇矩阵能够降低冷却系统能耗，提高整车燃油经济性。

参考文献：

[1] ZHANG C， UDDIN M， FOSTER L. Investigation of the under-hood aero-thermal flow features using 3D CFD simulation[EB/OL].（2017-03-28）[2017-07-15]. http：//papers.sae.org/2017-01-0142/.

[2] PHAPALE S， KOMMAREDDY P， SINDGIKAR P， et al. Optimization of commercial vehicle cooling package for improvement of vehicle fuel economy[EB/OL]. （2015-04-14）[2017-07-15]. http：//papers.sae.org/2015-01-1349/.

[3] STAUNTON N， PICKERT V， MAUGHAN R. Assessment of advanced thermal management systems for micro-hybrid trucks and heavy duty diesel vehicles[C]// Proceedings of 2008 Vehicle Power and Propulsion Conference. Harbin： IEEE， 2008. DOI： 10.1109/VPPC.2008.4677464.

[4] PAGE R W， HNATCZUK W， KOZIEROWSKI J. Thermal management for the 21st century： improved thermal control & fuel economy in an army medium tactical vehicle[EB/OL]. （2005-05-10）[2017-07-15]. http：//papers.sae.org/2005-01-2068/.

[5] WANG T， JAGARWAL A， WAGNER J R， et al. Optimization of an automotive radiator fan array operation to reduce power consumption[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2014， 20（5）： 2359-2369. DOI： 10.1109/TMECH.2014.2377655.

[6] WANG T， WAGNER J. Advanced automotive thermal management： nonlinear radiator fan matrix control[J]. Control Engineering Practice， 2015， 41： 113-123. DOI： 10.1016/j.conengprac.2015.04.004.

[7] ZHANG T， GAO Q， WANG G， et al. Investigation on the promotion of temperature uniformity for the designed battery pack with liquid flow in cooling process[J]. Applied Thermal Engineering， 2017， 116： 655-662. DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2017.01.069.

[8] YANG Z， BOZEMAN J， SHEN F Z， et al. CFRM concept for vehicle thermal systems[EB/OL]. （2002-03-04）[2017-07-15]. http：//papers.sae.org/2002-01-1207/.

[9] JORGENSEN R. Fan engineering[M]. 8th ed. Buffalo： Buffalo Forge Co.， 1983.

[10] MAO J N， CHEN H X， JIA H， et al. Effect of air-side flow maldistribution on thermal-hydraulic performance of the multi-louvered fin and tube heat exchanger[J]. International Journal of Thermal Sciences ， 2013， 73： 46-57. DOI： 10.1016/j.ijthermalsci.2013.06.001.endprint