护风圈对发动机冷却风扇气动性能影响的CFD分析

王恒宇

摘要：本文采用Realizable k-ε湍流模型对发动机冷却风扇进行CFD模拟，计算了转速2000r/min时的风扇流量，研究护风圈对其气动性能的影响。在此基础上，利用宽带声源模型中的Curle噪声源模型对风扇流场中的噪声源分布进行了分析，并通过瞬态仿真分析护风圈对风扇噪声频率特性的影响。分析结果表明：安装护风圈可以提高风扇11.6%的流量，同时可以降低气动噪声。

Abstract： In this paper， Realizable k-ε turbulence model was used to simulate the cooling fan of engine. The mass flow of the fan at 2000 r/min was calculated， and the effect of shield ring on its aerodynamic performance was studied. Based on this study， the noise source distribution in fan flow field was analyzed by using the Curle sound energy formula of the broadband sound source model. Then，transient simulations for the flow field were done to analyze the frequency performances of fan noise. The analysis results show that installing the shield ring can increase the flow of the fan by 11.9% and reduce the aerodynamic noise.

关键词：冷却风扇;护风圈;流量;气动噪声

Key words： cooling fan;shield ring;mass flow;aerodynamic noise

0  引言

近年来汽车工业在持续高速发展，人们对汽车性能的要求越来越高，发动机冷却系统作为保证发动机正常运转的重要组成部分也在不断发展，冷却风扇是发动机冷却系统的关键部件，用于加快空气的流动，提高冷却效果，其性能对发动机冷却性能有着至关重要的作用。为满足冷却系统的散热量要求，冷却风扇需提供足够的空气流量。目前对冷却风扇的优化设计主要依靠试验研究和数值仿真，随着计算流体力学（CFD）理论与计算机性能的不断提高，数值仿真逐渐成为一种高效而可靠的技术手段，在一定程度上可以取代试验研究，大大缩短设计周期，发动机风扇研究逐渐开始依靠CFD仿真[1-3]。Tobias[4]通过进行数值计算与风道试验，验证了多重参考系模型（MRF）对发动机冷却风扇气动性能模拟的准确性。导风罩是汽车发动机冷却风扇中常见的辅助部件，通过分析径向间隙与风扇沉入量对风扇性能的影响，可以为风扇形式布置提供可靠的指导[5]。

本文针对某车型使用的发动机冷却风扇及其导风罩与护风圈，利用流体力学分析软件STAR-CCM+建立CFD仿真模型，探究护风圈对风量与噪声的影响。结合仿真结果与实际需要，为发动机导风罩与护风圈的设计提供指导意见。

1  风扇稳态仿真

1.1 流场模型建立

将发动机冷却风扇的3D数模导入Hypermesh软件进行几何处理，简化风扇轮毂上的复杂几何特征，以提高网格质量、减少仿真计算量。建立通流区模型，为保证导风罩位于进口区管道内，进口区直径略大于导风罩对角线长度，进口区长度为入口管道直径的6倍，与大气相连的出口区直径为进口区直径的4倍。为风扇建立旋转流体区域，建立导风罩圆环处的空气流量监测面。在Hypermesh中使用三角形單元划分风扇、导风罩、护风圈及通流区的面网格，导出面网格模型。

把面网格模型导入STAR-CCM+软件，进行体网格划分，采用多面体网格策略，可以减少网格数量，提高收敛速度。

1.2 边界条件设定

设置入口条件为压力入口，相对大气压的总压为零;设置出口条件为压力出口，相对大气压的静压为零。导风罩、护风圈与其他壁面设为静止的无滑移壁面。设置旋转流体区域与通流区之间的面为交界面。对于风扇旋转的模拟，采用STAR-CCM+中提供的MRF模型（Multiple Reference Frame），该稳态算法占用计算资源较少且精度满足工程需求。在模拟中只需设定风扇运动的相对坐标系及角速度，风扇本身不需要旋转。本文设定旋转流体区的转速为2000r/min。

1.3 物理模型设定

发动机风扇转动引起的流体运动属于湍流运动，且属于低马赫数流动，可认为空气为不可压缩的理想气体。采用稳态定常计算，忽略重力影响。气动声源强弱分布计算采用宽带声源模型中的Curle噪声源模型。观察各量的残差曲线与监测面的流量曲线，当残差与流量趋于稳定时，可认为计算结果收敛[7]。

1.4 网格无关性验证

采用三种网格划分方案对安装护风圈情况下的风扇进行计算，计算风扇在转速2000r/min下的流量，三种网格方案的计算结果相差在0.5%以内，如表1。为减少仿真时间同时提高仿真收敛性，本文采用收敛性较好的方案2。

1.5 稳态结果分析

本文分别对安装护风圈和未安装护风圈的发动机风扇进行研究，采用相同的网格划分方案，设置相同的边界条件与转速，通过分析流场内部特征，探究护风圈对风扇气动性能的影响。安装护风圈后风扇的流量提高了11.6%，见表2。

图3为流场y=0截面与风扇表面速度矢量图，气流在到达风扇之前为规则的层流流动，在旋转风扇的作用下，气流在扇叶表面的速度最高，风扇后的气流呈螺旋状向后流动，在风扇轮毂后形成一个低速区，主要是由于风扇轮毂阻挡了前方气流，同时气流在风扇离心力的作用下向四周分散流动。护风圈减小了风扇周围的通流面积，气流向四周分散的程度低于无护风圈时。

图4为y=0截面压力云图，气流在风扇后形成圆锥状负压区，同时也是低速区，这是风扇噪声产生的主要原因之一。气流在风扇后向四周分散流动，该区域气流较少，形成负压，随着距离的增加与气流的不断补充，负压区越来越小，直至与周围的压力相同，负压区消失。而在护风圈的作用下，减少了部分气流的分散，形成的负压区相对较小。

图5是风扇与导风罩表面声功率分布图，可以看到，风扇声功率较大的区域主要是是扇叶末端，可以看出安装护风圈的风扇扇叶末端声功率相对较小。这是由于护风圈与风扇之间间隙小于导风罩与风扇之间的间隙，间隙越大，形成的湍流流场越大，流场变化越剧烈，如图6所示，无护风圈时间隙中的漩涡更多且漩涡强度更大，引起的气动噪声越大。护风圈破坏了风扇叶尖与护风罩之间涡流的形成，阻止了部分回流，增加了风扇流量同时减小了气动噪声。

2  风扇瞬态仿真

2.1 瞬态仿真模型建立

稳态仿真可以定性分析护风圈对风扇风量的影响与风扇在旋转过程中噪声的形成机理，进行噪声预测，为了更准确地对声场进行仿真，需进行瞬态仿真，研究风扇噪声的频率特性。

本节利用STAR-CCM+软件对风扇流场进行瞬态仿真分析，采用稳态仿真中的网格，用动网格模型模拟风扇的旋转，声场仿真采用大涡模型（LES），其他设置与稳态仿真模型相同。模拟流体在0.05s内的流动过程，时间步长设为5×10-5s，由于计算资源有限，将每个时间步长内的最大内迭代次数设置为20次。计算结束后，根据计算得到的流场数据，采用Ffowcs-Williams &Hawkings（FW-H）噪声求解模型计算得出风扇的总声压级。定义风扇表面为噪声源，噪声接收点位于其下游轴线上距離风扇中心1m处，该点的选取是根据GB/T2888-91《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》。

2.2 瞬态结果分析

提取噪声接收点的总声压级，通过傅里叶变换得到接收点噪声频谱1/3倍频图，如图7所示。风扇旋转产生的噪声的最大值出现在低频段，同时高频噪声声压级大于60dB。安装护风圈的风扇所产生的噪声低于未安装护风圈的风扇，与稳态仿真得到的结果一致。

3  结论

本文建立发动机风扇的CFD仿真模型，分别模拟了安装护风罩与未安装护风罩两种模型，对流场进行了速度、压力与噪声分析，分别进行稳态及瞬态仿真。计算结果表明：护风圈可以减少风扇与导风罩之间的漩涡，提高11.6%的风扇流量，同时降低气动噪声。发动机冷却风扇安装护风圈有助于提高气动性能。

参考文献：

[1]耿丽珍，袁兆成.轿车发动机冷却风扇CFD仿真分析及降噪研究[J].汽车工程，2009（7）：664-668.

[2]孟庆林，尹明德，朱朝霞.基于STAR CCM+的发动机冷却风扇CFD仿真分析[J].机械工程与自动化，2015，3：64-66.

[3]王振宁，王红.基于计算流体力学汽车冷却风扇优化设计[J].机械设计与制造，2016（10）：182-186.

[4]Tobias Berg，Anna Wikstrom.Fan Modelling for Front End Cooling with CFD.Lulea：Lulea University of Technology，2007.

[5]陈彬彬，秦四成，习羽，等.工程车辆冷却风扇流体特性仿真分析[J].筑路机械与施工机械化，2014（5）：91-94.

[6]V.Yakhot，S.A.Orzag.Renormalization Group Analysis of Turbulence：Basic Theory.Scientific Computing，New York，1986：3-51.

[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.