在STAR-CCM+中風扇的三種不同分析方法

王國強，邢超，趙玉軍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在STAR-CCM+中風扇的三種不同分析方法

王國強，邢超，趙玉軍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章通過三種不同的方法對風扇進行了模擬，并用流量和壓降對分析結果進行評價。分析結果表明：三種方法均能較準確的模擬風扇，但在流場和壓力分布上有一定的差別。

風扇；流場；壓降

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-81-03

前言

風扇模型在計算分析中的運用，可使分析結果更貼合實際，但代價就是模型的前處理、計算模型的復雜性增加、計算資源和時間的增加。fan interface的提出，可以避免實際風扇模型給計算帶來的諸多不便，可以使計算的收斂更快，但fan interface也有其自身的不足。fan interface 是對fan momentum source的一種簡單替代，它通過計算流過軸流風扇的流量或速度模擬風扇的壓降，然而卻不能像 fan momentum source那樣增加旋轉。究竟這兩者在計算結果上有啥差異，本文將通過對比分析進行探討。

1、風扇模型的理論基礎

1.1 “fan momentum source”介紹

為了更好地模擬軸流風扇的性能，在STAR-CCM+中，使用了源項“fan momentum source”，“fan momentum source”使用了“actuator disk”理論來理論近似風扇的工作過程，在做計算分析的過程中，可以不需要風扇的實際模型。其理論分析過程如下：

為了得到風扇作用到流動介質上的力，本文先從風扇前后介質流動情況的速度三角形來陳述，如下圖所示：

圖1 風扇葉片進出口速度三角形

符號列表：

Vin：介質進口速度

Vaxial：介質軸向速度

ε：葉片安裝角

β：葉片弦線與軸向的夾角

ω：風扇旋轉角速度

r：葉片半徑

Vout,absolute：介質出口絕對速度

Vout,relativ：介質出口相對速度

介質以Vin進入風扇，并假設Vin= Vaxial，風扇在θ方向上以ω的角速度進行旋轉，且風扇葉片本身不扭轉。

由連續性方程可得Vaxial.in=Vaxial.out，由動量守恒方程可知：作用于物體上所有力的總和等于通過物體表面的凈動量。基于此，在θ方向上有：

這是葉片作用于介質的切向力，而總的力的方向垂直于葉片表面，故葉片作用于介質的軸向力為：

如果將風扇置于x-y平面中，則Fz=Faxial。為了將切向力在直角坐標系下進行表述，現假設有一點P在直角坐標下下的坐標為（xp，yp，zp），c點風扇的中心點，其坐標為（xc，yc，zc），如下圖所示：

圖2 直角坐標系下風扇位置

為風扇的壓升，Ψ為體積流量，C1和 C2是由載荷曲線上兩個工作點確定的常數。

1.2 風扇定律

2、三種方案所用模型的介紹

2.1 模型通用部分介紹

模型全長12米，進出口面積相等，直徑均為1.3米；進出口段長度相等，且直管段部分的長度為5.1米；風扇段長度為0.125米。

圖3 風扇的進氣段與出氣段

2.2 風扇段不同建模方法

2.2.1 具有實際風扇模型

風扇順時針旋轉，葉片數為9片，直徑為704.012mm，覆環直徑635mm。見圖4。

圖5 風扇的計算域

圖6 Fan Interface面

圖4 實際風扇模型

2.2.2 無實際風扇模型，并啟用Moment Source Option項。

在此方法中，并無風扇實際模型，僅保留風扇的計算域，風扇的特性由特性曲線給出。通過Tables和Reference Frames將風扇特性加入到計算域中，并將風扇域中 Momentum Source Option設置為Fan類型。見圖5。

2.2.3 無實際風扇模型，無風扇計算域，不啟動Moment Source Option項，僅用interface模擬風扇性能。

在此方法中，僅用interface替代風扇。將interface的類型設置為Fan，并通過Fan Curve將風扇特性應用于interface中。見圖6。

2.3 風扇特性

當風扇轉速為3000rpm時，風扇特性如下表所示：

表1 風扇流量與壓升對應關系

3、計算結果及分析

計算分析是在風扇轉速一定（3000rpm）、進口流量一定的情況下進行分析計算的。并用風扇壓升和風扇后流線對不同方法進行評價。

進口邊界類型：Mass Flow Inle 進口流量：8.4kg/s 即6.99m3/s

出口邊界類型：Pressure Outlet 出口壓力：0Pa (參考壓力：101325Pa)

3.1 壓力流線圖

圖7 實際風扇模型壓力流線圖

圖8 風扇域模型壓力流線圖

圖9 Fan interface壓力流線圖

3.2 三種方式下的壓升對比

表2 三種方式下風扇的壓升對比

從流線圖和表2上看：

（1）由于實際風扇模型有9片葉片，在每個葉片的的后部都有明顯的尾流；

（2）相對于實際風扇模型，風扇域模型由于沒有風扇實體模型，所以后部流線的分布和旋轉都比較均勻；

（3）在實際的分析過程中，Fan interface模型模型簡單，計算效率高，但從流線來看，該模型并未考慮氣流的旋轉，僅僅模擬了通過風扇的壓升狀況；

（4）從表2來看，三種方法對壓升的分析均比較準確，實際風扇模型最好，風扇域模型次之，Fan interface模型的最大偏差也只有-6.7%，也基本能滿足分析要求。

4、結論

風扇模型在汽車熱管理分析或其它涉及到散熱、冷卻、通風等方面都有廣泛的應用，對不同的分析，考慮的著眼點不同，導致對分析結論的側重點不同，其中也涉及到模型的復雜程度和計算資源的配置情況，本文對風扇模型的三種處理方法，希望能對計算結果的評價及計算分析過程中模型的選擇提供幫助。當然，最好的模型還是實際風扇模型。

[1] 李明,李明高.STAR-CCM+與流場計算[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 林建忠,流體力學M].北京:清華大學出版社,2005.

Three Different Methods of Fan Simulation in STAR-CCM+

Wang Guoqiang, Xingchao, Zhao Yujun
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

By means of three different methods simulation of fan is performed in STAR-CCM+. Its results were compared in according with flow rate and pressure drop. It could be found that the three methods can simulate the fan accurately, however，some differences in the distribution of flow field and pressure drop can be seen.

fan; flow field; pressure drop

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-81-03

王國強，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究方向為汽車氣動與熱管理分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.027