軸流式風扇加裝導葉片性能研究

摘要：風扇是車輛冷卻系統的主要部件，當前應用比較廣泛的是軸流式風扇，為了提高風扇的冷卻能力，對改進的某型軸流式風扇進行實驗研究和數值模擬。實驗結果表明，軸流式風扇加裝后導葉片質量流量提高約20%，加裝前導葉片質量流量提高約15%，在提高質量流量方面加裝后導葉要優于加裝前導葉。加裝導葉片能在相同轉速下顯著增加風扇的質量流量，提高冷卻性能。以前導葉為例，運用NUMECA軟件進行數值模擬計算，數值模擬結果與實驗較吻合。

關鍵詞：軸流式風扇；NUMECA軟件

1、引言

風扇是車輛冷卻系統的主要部件，其性能對整車冷卻系統有著重要影響，隨著車輛對冷卻性能要求的不斷提高，進一步改進風扇結構，降低能源消耗，對提高車輛性能具有重要意義。

當前，民用車輛的冷卻風扇以混流式風扇為主，其特點是結構簡單、緊湊，體積小、重量輕、便于維修，但是冷卻效率較低，相同轉速下產生的風壓和質量流量較低，流動較紊亂。而軍用車輛由于其對性能的高要求，一般采用軸流式風扇，其特點是在相同的轉速下能夠產生較高的風壓，空氣流動均勻，質量流量大；但是其結構較復雜，質量和體積較大。

針對以上兩種情況，結合兩種冷卻風扇各自特點，對車用軸流式風扇進行輕量化結構改進，增加前后導葉片，對其進行臺架試驗，分析對比試驗結果，得到風壓、質量流量和流場等變化規律。以前導葉為例，運用NUMECA軟件進行數值模擬計算，計算結果與試驗相比較作為驗證。

2、試驗方法與裝置

2.1試驗裝置

采用風洞試驗臺架（后導葉性能測試如圖1），改變風扇與導葉位置為前導葉性能測試圖，利用變頻電機驅動風扇，風扇采用WR219－200排氣式風扇；導葉采用模型換算法設計，以WR-219風扇為原型，在符合相似準則的情況下，確定后導葉出口角10ordm;，前導葉出口角為30ordm;，導葉軸向長度為80mm，葉高25mm。風扇導葉與葉輪的距離為25mm 。測試的參數主要有：風扇轉速、大氣壓力和進出口風速。

實驗時，環境溫度25℃，室內風速很小，其影響可忽略。每一次測量都經過一定時間周圍環境達到穩定狀態后，開始測量數據。

2.2 試驗方法

冷卻風扇的性能主要體現在冷卻介質的質量流量，實驗臺利用皮托管和斜管壓力計測量風速，根據伯努力方程，可得皮托管測速原理。

應用重力場中理想流體的伯努力方程得：

（1）

即

（2）

（3）

上式中—— 總壓；

—— 進口壓力，試驗中為大氣壓；

—— 出口壓力，試驗中為測試點的總壓；

—— 流體密度，試驗中為空氣密度；

—— 皮托管中液體密度，試驗中為酒精，取900kg/m3；

—— 液面高度差；

—— 重力加速度；

—— 運動粘度；

3、數值模擬計算

NUMECA分析采用三維Navier-Stokes方程，湍流模型選取K-ε標準兩方程模型。由于模型簡化的程度不同以及網格劃分方法的不同，CFD計算結果有一定的差異。

為了保證網格的質量，在建立幾何模型的時候將葉片的前緣和后緣都變為鈍頭，采用HI型網格，邊界條件的設定采用進口給定總溫總壓和出口質量給定流量的組合，對轉速為2400r/min進行數值模擬計算。為了確保模擬計算結果的準確性，溫度與壓力均為實驗測試時環境壓力與溫度，風速為出口的平均風速。

由模擬結果得到加裝導葉片后葉輪周圍以及風洞內速度與壓力的分布規律，結果表明，對于加裝前導葉的風扇來說，在動葉輪與倒也片之間形成了低壓區，增大了與外界的壓差，從而增加進氣量。葉輪周圍及風洞內速度分布規律與實驗測試結果有很好的吻合。出口平均風速與實驗所測值誤差較小。

4、結論

1）通過比較加裝導葉和無導葉風扇在相同轉速下的質量流量差，計算可知在相同轉速下，加裝后導葉的風扇比無導葉風扇質量流量提高25％左右，加裝前導葉風扇比無導葉風扇質量流量提高約為10％。

2）分析風扇導葉片安裝的位置（前導葉、后導葉）不同對風扇質量流量的影響，得出在相同轉速下，安裝后導葉風扇的在質量流量上略高于安裝前導葉的風扇。

3）利用數值模擬計算得到的結果與實驗結果有較好的吻合。數值模擬結果中，壓力分布規律可以為今后研究風扇流場提供理論依據。

參考文獻

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作者介紹

張萬清男1982年生，2004年畢業于內蒙古工業大學，工程師，現就職于神華準格爾能源有限責任公司設備維修中心調度指揮中心。