基于ANSYS Workbench 的風扇流量仿真

朱佳歡 張廣文 劉佳鑫

（華北理工大學，河北 唐山063000）

為了研究某新能源裝載機冷卻系統的換熱性能，需要獲得正確的冷卻系統散熱模塊中的冷卻風扇性能。目前多用前處理軟件Gambit 對模型進行網格劃分與邊界設置，隨后保存數據導入Fluent 軟件進行仿真計算和后處理。經過Gambit 處理后保存的數據在導入Fluent 中容易出現數據丟失等問題，且出現網格質量等錯誤時不易更改，操作十分不便。為了解決上述的問題，本文采用功能強大的Ansys workbench15.0 工作臺，將虛擬風道模型的網格劃分、CFD 模擬、后處理集中，避免因軟件的相互轉換所帶來的問題。

1 風扇模型建立及網格劃分

1.1 以新能源裝載機配置的冷卻風扇為對象，對其進行三維建模，并將其置于虛擬風道中進行數值模擬。風扇三維模型如圖1，部分參數見表1。

表1 風扇參數表

圖1 風扇模型

根據文獻[1]對風洞的要求，選取D 型風道，建立虛擬風道三維模型，結構如圖2 所示。虛擬風道分為進口區、出口區、冷卻風扇區、旋轉域區、整流柵區。其風道截面為風扇當量直徑，進口區風道長度為4 倍的風扇當量直徑，出口區風道長度為6 倍的風扇當量直徑，按照標準需在距離出口區風道2 至4 倍風扇當量直徑處布置整流柵[2-4]。

圖2 虛擬風道模型

1.2 在CFD 模擬中，劃分后的網格質量直接決定著計算結果的精度和收斂速度。對于冷卻風扇而言，應采用適合曲率變化大的非結構性網格。冷卻風扇區及旋轉域采用四面體網格，網格劃分方法設置為Tetrahedrons，生成網格形式為Path Independent，如圖3。進口區、出口區及整流柵采用正六面體網格，網格劃分方法設置為Hex Dominant Method，生成網格形式為Use Global Setting，自由面網格類型為All Quad。對冷卻風扇扇葉附近區域及旋轉域進行網格加密，如圖4。

圖3 風扇區網格

圖4 虛擬風道網格

2 求解設置與仿真結果

2.1 在workbench 的fluent 中設置為壓力為基礎的穩態求解器；空氣視為不可壓縮介質；壓力進口、壓力出口；湍流模型選擇k-ε 標準模型，湍流強度為默認值5%，水力直徑為風扇當量直徑；對冷卻風扇及旋轉域采用多重參考系法（MRF），冷卻風扇相對于旋轉域靜止，即設置旋轉域轉速與風扇轉速一致，為2100 rpm；各區域均設置為流體區域，流動介質為空氣；耦合方程采用SIMPLE 算法；為了更快收斂，湍流耗散率、動量及壓力等參數均采用二階迎風式離散；設置監測面，監測項為風量，監測項殘差數值小于1.0×10-6可定為收斂。

2.2 在Fluent15.0 進行仿真計算，監測冷卻風扇出口風量。迭代2500 左右計算達到收斂，計算得到的冷卻風扇風量為0.817kg/s，與風扇廠家提供的風量數據基本一致，如圖5 所示。

圖5 仿真結果

3 風扇流量與轉速關系

上述驗證了所建立的風扇仿真模型的準確性，為了研究風扇自由渦流時的流量與風扇轉速之間的關系，保持其他參數不變，在仿真時只改變動力艙出口處的冷卻風扇轉速，并監測冷卻風扇出口處的空氣流量。設風扇流量為Qc,仿真計算結果如表2 所示。

表2 風扇流量與轉速仿真結果

A=95.45 可忽略不計，則風扇流量與風扇轉速的關系為：

其中，kτ為風扇轉速比例系數。

本文利用ANSYSY Workbench 15.0 軟件，將操作集于一身，能夠避免軟件之間數據傳輸錯誤，且workbench 中網格劃分流程簡單，降低了操作難度。通過與廠家提供的信息對比，證明該風扇數值仿真模型的準確性，以進行后續的新能源轉載機冷卻系統散熱性能的研究。研究分析了風扇自由渦流時的流量與風扇轉速之間在一定條件下呈正比關系。