高海拔环境下扇叶安装角对冷却风扇性能的影响

吉华，罗红英，段宗幸，叶通骑，陈志

高海拔环境下扇叶安装角对冷却风扇性能的影响

吉华1，罗红英1，段宗幸2，叶通骑2，陈志2

（1.西藏农牧学院 水利土木工程学院，西藏 林芝 860000；2.四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065）

使用Fluent软件建立冷却风扇的数值计算模型，研究了海拔高度、安装角对冷却风扇的所需功率和质量流量的影响。由于在高海拔环境下空气密度降低，引起流经冷却风扇的质量流量减少，造成冷却风扇的散热能力降低。同时，冷却风扇所需轴功率也下降，而电机输出功率基本保持不变，造成输入冷却风扇的动力不能完全利用。增加扇叶安装角，风扇的质量流量增加，同时轴功率也会上升。所以在高海拔条件下，增大扇叶安装角，可以不增加输入风扇动力，同时提高风扇的散热能力。最后，基于计算结果，给出了不同海拔高度下扇叶安装角的计算方法和示例。

高海拔；扇叶安装角；轴功率；散热能力

我国拥有世界上面积最大的高原，2 km以上的高原占国土面积的33%，3 km以上的占26%。这些地区的建设需要各类工程机械。在高海拔地区，因为空气密度的下降，造成装备动力舱流经冷却风扇的空气质量流量减少，散热能力大幅低于设计要求[1]。刘建敏等[2]利用GT-suite软件建立了某装甲车辆柴油机工作过程模型和冷却系统模型并进行耦合，结果表明冷却风扇质量流量平均减小11.20%，是引起柴油机出口水温升高的原因，并提出了在海拔2600 m以上时必须降负荷或提高冷却系统散热能力后使用的建议，但是没有提出具体机械结构上改进措施｡所以有必要研究高海拔条件下冷却风扇的工作特性以及改进方法。

高海拔造成流经冷却风扇的质量流量减少，也会造成所需轴功率的下降，而电机输出功率基本保持不变。扇叶安装角的增加，可以带来质量流量的增加，风量亦会增大，同时轴功率、整体功耗增加[3]。将这两点结合起来，增大扇叶安装角，可达到在充分利用输入风扇动力的同时，增大流经风扇的质量流量，提高散热能力。目前针对高海拔条件下冷却风扇的研究以及改进建议较少。所以本文以冷却风扇为研究对象，使用Fluent软件进行数值计算，研究了海拔高度、扇叶安装角对冷却风扇质量流量和所需轴功率的影响，并给出了扇叶安装角的改进建议。

1 计算模型

1.1 几何模型

图1为某冷却风扇的三维模型，几何参数如表1所示。结构参数中，扇叶安装角改变，其它不变。

表1 冷却风扇具体参数

图1 冷却风扇三维模型

1.2 流场模型

流场模型参考风洞试验台建立，主要分为两部分组成，如图2所示。第一部分为完全包裹风扇的旋转域，设风扇进出口对流场的影响区域为进口40 mm、出口40 mm，则旋转域总长为80 mm。第二部分为外流场域，目的是为了保证压力的平稳过渡，整个流场区域内不会出现压力值突变以及回流的情况。风扇流场模型的几何参数如表2所示。

图2 流场模型

表2 流场模型各区域几何参数

1.3 流场网格划分和无关性验证

网格类型采用四面体，采用Tetrahedrons进行划分，划分算法采用Patch Conforming。对于外流场域，设置网格体尺寸为12 mm；对于旋转域，将整体网格进行加密，设置网格尺寸为1 mm，如图3所示。

图3 旋转域细化网格横截面

由于采用了稳态模拟，所以对网格进行无关性验证。不同网格划分与计算结果如表3所示。当网格数量从1.15×106到4.25×106，冷却风扇的功率变化不大，均在可接受的误差范围内，综合考虑计算效率和计算精度，选用了2.52×106的网格数进行最终的计算。

表3 网格无关性验证

1.4 数值计算方法设置

选用SIMPLE算法和Realizable湍流模型，近壁面处理采用标准壁面函数，控制方程采用二阶迎风格式。由于使用稳态算法，故旋转域采用Frame Motion，旋转速度2300 r/min。由于风扇气流出口与环境相通，故出口边界条件选用表压为0的pressure outlet（压力出口）边界条件。对于入口边界条件，目前主要选用的边界条件为pressure inlet（压力入口）[4-5]和mass flow rate（质量流量入口）[6-7]。由于Fluent边界条件选择的原则是有利于计算的收敛，且本模型中的流场模型进出口均与大气相通，故进口边界条件选用表压为0、绝压为该海拔下的大气压的pressure inlet（压力入口）边界条件。

由于空气黏度随海拔高度变化不大，故空气黏度设为常数。

不同海拔下的大气压力p的计算式[8]为：

式中：0为标准大气压力，Pa；为海拔高度，m，44 300、5.256为定值[8]。

不同海拔下的空气密度H的计算式[9]为：

式中：0为标准状态下空气密度，kg/m3；为空气温度梯度，取值为0.0065 K/m；0为绝对温度，值为273 K；4.26为定值[9]。

2 计算结果分析

2.1 海拔高度对流量和所需轴功率的影响

当安装角一定时，在任何海拔高度下，风扇的速度三角都是一样的，也就是说影响体积流量的主要因素没有改变，所以在表4中体积流量相差不大。随着海拔高度的上升，由于空气密度下降，所以质量流量下降；同时由于质量的降低，在其他条件没有改变的前提下，驱动气体所需的作用力也减少了，所以所需轴功率下降。

表4 流量和功率随海拔高度的变化（θ＝30°）

注：q为体积流量；q为质量流量；为轴功率，从Fluent软件中读取出扭矩T（N·m），采用＝T×/9.55计算得到。

我国海拔3 km以上的高原有250万平方公里；川藏公路海拔3 km以上的路段有1245 km、占总里程的50%以上；新藏公路全线平均海拔4.5 km以上，海拔在4 km以上路段有915 km，约占总里程的78%，海拔5 km以上路段约占总里程的11%。从表4中可以看出，当海拔高度＝3 km时空气密度、质量流量、所需轴功率分别为0海拔时的72.93%、68.67%、64.02%，而当海拔高度＝4 km时仅为65.27%、57.66%、53.57%。在这些广阔地区工作的冷却风扇，一方面，由于散热量与风扇的质量流量正相关[10]，质量流量的下降将会带来散热能力的大幅下降，可能造成主机因此失效；另一方面，随着海拔高度的上升，所需轴功率也将下降，输入风扇的动力不能充分利用。

2.2 扇叶安装角对质量流量及所需轴功率的影响

在同一海拔下，当扇叶安装角增大时，扇叶的迎风面积增大，使得体积流量增大，进而质量流量增大；同时由于气体与扇叶因撞击产生的阻力增大，为克服阻力，冷却风扇所需轴功率也随扇叶安装角的增加而增大。从图4可以看出，随着扇叶安装角的增大，虽然风扇的质量流量和所需轴功率增大的速度不一样，但是都有所增加。从前文可知，随着海拔高度的上升，所需轴功率也将下降。所以增大扇叶安装角可以在利用外部输入功率的同时，增大风扇的质量流量，从而增大风扇的散热能力。

2.3 不同海拔下的扇叶安装角

针对本文几何模型，对扇叶安装角为30º、37.5º、45º、52.5º、60º的风扇所需轴功率，在0.0 km、1.0 km、2.0 km、2.5 km、3.0 km、3.5 km、4.0 km、5.0 km海拔条件下，进行了计算，得到数据如图5所示，并做100 W横线，与各条数据线有交点，交点横坐标对应的角度值为该条数据线所在海拔高度下的扇叶安装角。这种方法就是采用线性插值，以在各海拔下所需轴功率100 W为目标，得到各海拔下的扇叶安装角，具体的扇叶安装角数值如表5所示。

图4 扇叶安装角对所需轴功率和质量流量的影响（H＝0 km）

图5 不同海拔高度下扇叶安装角对所需功率影响

表5 不同海拔下的扇叶安装角（100 W）

3 小结

（1）在高原环境下工作的冷却风扇，由于空气密度的下降，质量流量降低，所以散热能力下降。冷却风扇扇叶安装角在一定范围内增加，能够在不增加动力源输入的前提下，增加风扇的质量流量，提高风扇的散热能力。

（2）首先计算在不同海拔高度下，不同扇叶安装角的冷却风扇所需轴功率；然后在保证所需功率不变的前提下，采用插值法，可以得到不同海拔高度下的风扇扇叶安装角。

[1]王旭东，熊春华，鲁长波，等. 高原环境下柴油机燃用聚醚型含氧燃料热平衡试验研究[J]. 兵工学报，2018，39（8）：1473-1478.

[2]刘建敏，康琦，王普凯，等. 高原环境下柴油机冷却系统性能仿真[J]. 车用发动机，2018，（3）：22-28.

[3]李超，原梅妮，袁会灵，等. 扇叶安装角对冷却风扇性能影响的研究[J]. 中北大学学报（自然科学版），2019，40（5）：421-426.

[4]王天豪，吉华，李倩，等. 孔中心距对限流孔板压降的影响[J]. 机械，2020，47（2）：59-63.

[5]黄栋，郭伟科，刘辉，等. 基于CFD的自冷高速电主轴风扇叶片性能研究[J]. 机械，2018，45（11）：37-41.

[6]王天宇，王霄，刘会霞，等. 发动机冷却风扇性能的优化设计研究[J]. 机电工程，2015，32（6）：744-749.

[7]李虹. 小型轴流风扇内外部流场的数值研究[J]. 计算机工程与应用，2012，48（33）：228-232.

[8]刘岑，张成彦，钱则刚，等. DWT-70A型高原机车用无油压缩机的研制[J]. 机电工程，2011，28（6）：675-678.

[9]白树华，卢继平. 西藏高原环境对风力发电的影响分析[J]. 电网技术，2006（30）：5-8.

[10]刘巍. 冷换设备工艺计算手册[M]. 2版. 北京：中国石化出版社，2008.

Influence of Blade Installation Angle on Fan’s Cooling Ability at High Altitude

JI Hua1，LUO Hongying1，DUAN Zongxing2，YE Tongqi2，CHEN Zhi2

(1.School of Hydraulic and Civil Engineering, Tibet Agricultural and Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China; 2.School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

On the basis of a numerical model of cooling fan developed in Fluent, the influences of the altitude and the blade installation angle on the mass flow rate and the required shaft power of this cooling fan are studied. The mass flow rate of the cooling fan decreases because the air density decreases at high attitude, which causes the decrease of the cooling ability. On the other hand, the required shaft power of the cooling pan decreases, which impedes the full utilization of the input power because the output power of electrical machinery barely changes. The mass flow rate and the shaft power of the pan increase when the blade installation angle increases. Therefore, when the blade installation angle increases, the cooling ability of the pan can be enhanced at high altitude without the increase of the input power of the pan. Finally, the calculation method and example of blade installation angle at different altitudes are introduced.

high altitudes；blade installation angle of fan；shaft power；cooling ability

TH42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.010

1006-0316 (2022) 10-0062-05

2021-11-29

西藏自治区高层次人才引进项目（NYGCCRC-2022-01）

吉华（1972－），男，四川武胜人，博士研究生，副教授，主要研究方向为流体机械，E-mail：jimjee@163.com。