孟慶林，尹明德，朱朝霞

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的主要作用是加快空氣的流動(dòng)，加速冷卻劑的冷卻效果。風(fēng)扇靜壓和質(zhì)量流率是冷卻風(fēng)扇的重要性能參數(shù)，因此，為滿足冷卻系統(tǒng)的散熱量要求，冷卻風(fēng)扇在相應(yīng)的壓力和轉(zhuǎn)速下應(yīng)有足夠的空氣質(zhì)量流率。本文以實(shí)際使用中的某車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為研究對(duì)象，其基本性能要求是：在環(huán)境溫度為30℃±10℃、工作轉(zhuǎn)速為2 000r/min情況下，風(fēng)扇靜壓為75Pa時(shí)，風(fēng)扇的風(fēng)量為0.96kg/s?；诖耍肧TAR-CCM＋分析軟件對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行性能模擬，以分析風(fēng)扇運(yùn)行的性能參數(shù)以及噪聲的影響因素［1－3］。

1 系統(tǒng)建模

1.1 風(fēng)扇3D模型的建立

在對(duì)仿真分析結(jié)果影響不大的情況下，為了減少計(jì)算工作量，將風(fēng)扇輪轂上的孔洞簡化為實(shí)體，用Pro/E建模軟件建立的風(fēng)扇三維模型如圖1所示。把該模型以.step格式導(dǎo)入到Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)出面網(wǎng)格模型，以.stl格式存盤，以便進(jìn)行后續(xù)處理。

1.2 流場仿真模型的創(chuàng)建

考慮到通流區(qū)內(nèi)的流場特性以及為方便以后的網(wǎng)格劃分，將仿真模型分為進(jìn)口區(qū)、出口區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和管道區(qū)四個(gè)區(qū)域［4］。根據(jù)風(fēng)扇性能實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置入口區(qū)長度不小于入口管道直徑的6倍，出口區(qū)長度不小于出口管道直徑的10倍［5］；為了盡量減小分析誤差，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)交界面半徑應(yīng)盡可能地接近風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)半徑；旋轉(zhuǎn)流體區(qū)與管道區(qū)的半徑差為4mm，和實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)圈與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)半徑差相等。各區(qū)域幾何參數(shù)如表1所示，建立的仿真模型如圖2和圖3所示。

圖1 風(fēng)扇三維實(shí)體模型

表1 仿真模型區(qū)域幾何參數(shù)

圖2 通流區(qū)模型

1.3 網(wǎng)格劃分

利用STAR-CCM＋軟件的網(wǎng)格劃分優(yōu)勢，對(duì)仿真模型分區(qū)域單獨(dú)劃分網(wǎng)格，并對(duì)模型進(jìn)行局部加密，所有區(qū)域均使用切割體（Trimmer）網(wǎng)格劃分方式，并保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和數(shù)量，以便得到更為精確的分析結(jié)果。由于進(jìn)、出口非加密區(qū)域流場變化比較平穩(wěn)，因此此區(qū)域網(wǎng)格間距最大，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和管道區(qū)內(nèi)流場復(fù)雜以及壓力場變化劇烈，所以此區(qū)域網(wǎng)格間距最小。最終得到的網(wǎng)格劃分模型參數(shù)見表2，模型如圖4和圖5所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)流體區(qū)模型

表2 網(wǎng)格模型參數(shù)

圖4 通流區(qū)網(wǎng)格圖

圖5 旋轉(zhuǎn)流體區(qū)網(wǎng)格圖

2 仿真模型選擇與參數(shù)設(shè)置

2.1 設(shè)定邊界條件

在此分析模型中，假定空氣為理想氣體，因此只需設(shè)定氣體的絕對(duì)溫度以及相對(duì)大氣壓的相對(duì)壓力，由理想氣體狀態(tài)方程，便可得到氣體密度。起初由于不知道進(jìn)口處的空氣流速，故將進(jìn)口區(qū)的進(jìn)口面設(shè)為“Stagnation inlet”條件；因出口區(qū)直接與大氣相連，故將出口區(qū)出口面設(shè)為“Pressure outlet”條件；其他壁面設(shè)為“Wall”條件。并設(shè)置旋轉(zhuǎn)流體區(qū)與管道區(qū)以及管道區(qū)與進(jìn)、出口之間的交界面（Interface）。

2.2 風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)模型

對(duì)于風(fēng)扇的模擬，STAR-CCM＋提供了簡單可靠的模擬方法，即MRF模型（Multiple reference frame），又稱多參考坐標(biāo)系方法，即風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)所引起的動(dòng)量源效果被定義為相對(duì)于風(fēng)扇軸具有給定轉(zhuǎn)速的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在模擬計(jì)算中只需設(shè)定其運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系（圓柱坐標(biāo)系）和角速度，本文將旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為2 000r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閥軸正方向，這樣風(fēng)扇本身不需要旋轉(zhuǎn)（即無需網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)），就可以模擬旋轉(zhuǎn)的效果。

2.3 流場仿真模型的設(shè)定

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的流場屬于低馬赫數(shù)流動(dòng)，所以可以認(rèn)為空氣為不可壓縮的理想氣體；內(nèi)部流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用定常計(jì)算，忽略重力影響。采用Coupled耦合隱式求解器，動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散；綜合考慮求解精度和計(jì)算量，SIMPLE算法更適合作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能計(jì)算的速度壓力耦合算法；靠近風(fēng)扇附近流場的流線高度旋轉(zhuǎn)，彎曲程度大，選擇RNGκ－ε湍流模型。本模型將收斂準(zhǔn)則定為連續(xù)（Continuity），監(jiān)測項(xiàng)殘差小于1×10－4，并建立了出口區(qū)y＝3m截面處的空氣質(zhì)量流率監(jiān)測面。

3 流場計(jì)算仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果

通過CFD仿真分析可以得到豐富的流場內(nèi)部特征，這些信息可以幫助研究風(fēng)扇運(yùn)行的機(jī)理，改進(jìn)風(fēng)扇的性能。要判斷仿真模型的準(zhǔn)確性，需要對(duì)這些流場特性進(jìn)行分析，研究其是否能夠反映流場的實(shí)際情況，可以從速度矢量、流線、壓力場等三個(gè)方面對(duì)流場特征進(jìn)行分析。流場仿真經(jīng)過1 912迭代步后結(jié)果收斂，流場殘差曲線如圖6所示。監(jiān)測面的質(zhì)量流率為0.981 2kg/s，監(jiān)測面的質(zhì)量流率隨迭代次數(shù)的變化如圖7所示。

圖6 流場殘差曲線圖

圖7 監(jiān)測面質(zhì)量流率收斂曲線

圖8為x＝0與z＝0截面速度矢量圖。從圖8可以看出：進(jìn)口區(qū)氣流在經(jīng)過風(fēng)扇后有較為明顯的加速；并且沿出口區(qū)軸線形成一個(gè)圓錐形的低速區(qū)，該區(qū)域速度遠(yuǎn)小于外圍氣流速度，一方面是因?yàn)轱L(fēng)扇輪轂部分擋住了進(jìn)口區(qū)的來流空氣，在出口區(qū)靠近輪轂處形成了一個(gè)局部負(fù)壓區(qū)所造成的，另一方面是因?yàn)榭拷L(fēng)扇處的出口氣流在風(fēng)扇離心力的作用下向外離散所致。沿著低、高速區(qū)域的圓錐形交界面上會(huì)形成巨大的渦流區(qū)，越靠近風(fēng)扇區(qū)域，氣流的湍流運(yùn)動(dòng)越充分，所引起的渦流區(qū)域就會(huì)越大；在遠(yuǎn)離風(fēng)扇區(qū)域，隨著湍流運(yùn)動(dòng)的削弱，渦流區(qū)逐漸變小甚至消失。隨著大尺度渦的破裂以及渦流與風(fēng)扇之間的相互作用，就會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲，所以沿著圓錐形交界面處是產(chǎn)生風(fēng)扇噪聲的主要區(qū)域。圖9為葉片壁面上的速度矢量圖，同實(shí)際情況相對(duì)比可知仿真模型的正確性。

圖8 x＝0與z＝0截面速度矢量圖

圖9 葉片壁面上的速度矢量圖

圖10為通流區(qū)流線圖。從圖10可知，氣流在進(jìn)口區(qū)基本上是層流運(yùn)動(dòng)，但經(jīng)過風(fēng)扇的作用之后，出口氣流呈螺旋狀向外流動(dòng)。圖11為x＝0截面壓力云圖。從圖11可以看出，在管道區(qū)出口處形成一沿軸線分布的呈圓錐狀負(fù)壓區(qū)，這是形成出口區(qū)低速區(qū)的原因之一，也是產(chǎn)生風(fēng)扇噪聲的主要原因之一。圖12為風(fēng)扇吸力面壓力云圖，圖13為風(fēng)扇壓力面壓力云圖。由圖12、圖13可以看出，葉片壓力面后緣處的壓力遠(yuǎn)小于其他區(qū)域，而吸力面上剛好相反，該區(qū)域的壓力遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，這些壓力變化劇烈的區(qū)域，也是風(fēng)扇重要的噪聲源。

3.2 仿真結(jié)果與性能要求對(duì)比

在轉(zhuǎn)速為2 000r/min的情況下，在計(jì)算收斂后，出口區(qū)監(jiān)測面的質(zhì)量流率為0.981 2kg/s，大于風(fēng)扇的出廠標(biāo)定試驗(yàn)流率0.96kg/s，滿足風(fēng)扇要求，且二者誤差僅為2.2%，小于5%的誤差標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測冷卻風(fēng)扇某一葉片壓力面的壓力云圖如圖14所示。從圖14可以看出，葉片壓力面高壓區(qū)域的壓力值在75Pa左右，符合風(fēng)扇出廠性能要求。上述分析表明：冷卻風(fēng)扇的性能仿真數(shù)據(jù)與出廠標(biāo)定數(shù)據(jù)的誤差較小，從而說明了仿真模型的準(zhǔn)確性和仿真分析結(jié)果的可信性。

圖10 通流區(qū)流線圖

圖11 x＝0截面壓力云圖

圖12 風(fēng)扇吸力面壓力云圖

圖13 風(fēng)扇壓力面壓力云圖

4 結(jié)語

本文采用STAR-CCM＋軟件建立風(fēng)扇臺(tái)架試驗(yàn)的CFD仿真模型。通過將仿真結(jié)果與風(fēng)扇性能要求對(duì)比，得出誤差在可接受范圍之內(nèi)，從而證明了風(fēng)扇的CFD建模與仿真分析結(jié)果的可靠性。

圖14 風(fēng)扇葉片壓力面壓力云圖

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