低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

黃繼剛 ，李 琳 ，李 娜

（1.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156；2.江蘇大學(xué) 汽車學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

近年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高以及前艙零部件布置的愈加緊湊和復(fù)雜，為了滿足的發(fā)動(dòng)機(jī)前艙的散熱性能要求，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇負(fù)荷增大，轉(zhuǎn)速增加[1]。而隨著冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，其噪聲也會(huì)明顯增大，并已成為整車噪聲的主要來源之一[2]；乘員的乘車舒適性大大降低.因此，在保證冷卻風(fēng)扇滿足基本的氣動(dòng)性能要求基礎(chǔ)上，降低其氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的噪聲來源以氣動(dòng)噪聲為主，而其氣動(dòng)噪聲可分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲[3]。旋轉(zhuǎn)噪聲是風(fēng)扇葉片周期性作用于周圍空氣進(jìn)而引起壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的，也稱為離散噪聲；渦流噪聲主要是指葉片與周圍空氣互相作用產(chǎn)生的復(fù)雜的無特定規(guī)律可循的湍流噪聲[4]。

根據(jù)風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及特點(diǎn)，學(xué)者們提出了大量的針對(duì)風(fēng)扇噪聲源進(jìn)行降噪的方法[5-7]。一方面，通過分析輪轂比、葉片數(shù)等風(fēng)扇的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和尾緣厚度、弦長(zhǎng)等平面葉型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能和噪聲性能的影響，優(yōu)化得到使風(fēng)扇性能最佳的參數(shù)水平；或采用葉片不等節(jié)距分布的方法降低風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪聲；但多數(shù)風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，通過此類方法降噪具有很大的局限性；另一方面，通過對(duì)仿生學(xué)的研究，借鑒貓頭鷹、鯊魚等動(dòng)物的羽毛或皮膚形態(tài)特征重構(gòu)軸流風(fēng)扇葉片表面對(duì)其進(jìn)行消音處理，如仿鳥類翅膀邊緣鋸齒狀結(jié)構(gòu)、仿魚類表面V型溝槽結(jié)構(gòu)等[8-10]，這類結(jié)構(gòu)往往會(huì)在溝槽底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低風(fēng)扇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，縮短其使用壽命。

通過在風(fēng)扇葉片吸力面表面設(shè)置楔形結(jié)構(gòu)，改變吸力面附近空氣流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而改變流場(chǎng)中渦的大小和分布規(guī)律，最終能有效降低風(fēng)扇工作時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。將CFD/CAA耦合仿真方法與正交試驗(yàn)相結(jié)合，分析楔形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能和噪聲性能的影響，得到楔形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，使冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案在滿足冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能要求的前提下，氣動(dòng)噪聲達(dá)到最低.該改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，便于應(yīng)用，且楔形結(jié)構(gòu)能夠起到類似“加強(qiáng)筋”的作用，提高葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長(zhǎng)其使用壽命。

2 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2.1 冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)示意圖

由于實(shí)際的冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)計(jì)算資源及時(shí)間要求都較高，因此在不影響流場(chǎng)分析準(zhǔn)確性的原則下，對(duì)企業(yè)提供的某車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇做適當(dāng)簡(jiǎn)化與修改，得到簡(jiǎn)化模型（以下稱為冷卻風(fēng)扇原始方案），如圖1（a）所示。包括8片等節(jié)距分布的變截面前掠葉片、輪轂以及葉尖處的護(hù)風(fēng)圈。輪轂半徑r為70mm，護(hù)風(fēng)圈內(nèi)徑R（即葉尖直徑）為181.5mm，護(hù)風(fēng)圈外徑為191.5mm。

在冷卻風(fēng)扇原始方案的葉片吸力面按規(guī)律沿徑向布置一定數(shù)量和大小的楔形結(jié)構(gòu)，得改進(jìn)方案，如圖1（b）所示。楔形結(jié)構(gòu)與風(fēng)扇主體通過注塑一體成型.每個(gè)葉片上楔形結(jié)構(gòu)的大小和數(shù)量根據(jù)其對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能和噪聲性能的影響效果通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定。

圖1 冷卻風(fēng)扇原始方案與改進(jìn)方案示意圖Fig.1 Original and Improved Structure of Cooling Fans

2.2 冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)參數(shù)

以結(jié)構(gòu)相同的楔形結(jié)構(gòu)在每個(gè)葉片表面沿徑向等間距分布為例，分析楔形結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能和噪聲性能的影響.以冷卻風(fēng)扇理論旋轉(zhuǎn)軸線為中心，則第i個(gè)厚度為h的楔形結(jié)構(gòu)中心處的半徑ri為：

式中：n—單個(gè)葉片上布置的楔形結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)。

取半徑為ri的圓柱截面展開，得到冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案的平面葉型，如圖2所示。圖2（a）中，風(fēng)扇原始方案平面葉型由四條曲線組成：前緣LE、后緣TE、葉盆、葉背，其中前緣和后緣均為圓弧，圓心分別為 O1、O2，O1、O2連線為弦長(zhǎng) B0。楔形結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)A為對(duì)應(yīng)位置處的葉片前緣LE與葉背曲線的切點(diǎn)；邊線AB與A點(diǎn)處葉背曲線的切線夾角為α，且AB在弦長(zhǎng)B0上的投影長(zhǎng)度為B1；頂點(diǎn)C位于葉背曲線上，且邊線BC與弦長(zhǎng)B0夾角為β。

圖2 冷卻風(fēng)扇原始方案與改進(jìn)方案平面葉型Fig.2 Original and Improved Blade Shape of Cooling Fans

因?yàn)镃點(diǎn)在葉背曲線上，因此楔形結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要滿足以下條件：

式中：γ—葉背曲線在A點(diǎn)處切線與弦長(zhǎng)的夾角。

3 冷卻風(fēng)扇仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 氣動(dòng)性能仿真

對(duì)風(fēng)架的原始幾何模型做適當(dāng)合理的簡(jiǎn)化，在風(fēng)扇周圍生成包絡(luò)體，作為內(nèi)流域；在風(fēng)扇前后分別拉伸出長(zhǎng)度為2m的外流域，建立冷卻風(fēng)扇流場(chǎng)計(jì)算模型，如圖3所示。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，設(shè)置內(nèi)流域網(wǎng)格尺寸為2mm，外流域網(wǎng)格尺寸為20mm，并在內(nèi)外流域交界面設(shè)置相關(guān)度，得到冷卻風(fēng)扇流場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型.網(wǎng)格數(shù)約為250萬，平均網(wǎng)格質(zhì)量約為0.83。

圖3 冷卻風(fēng)扇流場(chǎng)計(jì)算模型Fig.3 Numerical Model of Cooling Fan Flow Field

根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)置邊界條件：空氣入口與外界相通，設(shè)置為開放邊界；空氣出口設(shè)置背壓，以模仿風(fēng)扇真實(shí)工作時(shí)在前艙中流動(dòng)時(shí)受到的阻力；外流域壁面設(shè)置為絕熱固定壁面，內(nèi)外流域交界面上選用固結(jié)轉(zhuǎn)子位置插值方法，以實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞.將瞬態(tài)求解得到的風(fēng)扇葉片壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入聲學(xué)軟件LMS Virtual.lab氣動(dòng)聲學(xué)模塊中進(jìn)行冷卻風(fēng)扇聲場(chǎng)計(jì)算。將冷卻風(fēng)扇看作緊致聲源，則其葉片表面的壓力分布函數(shù)可通過積分化為作用于風(fēng)扇中心點(diǎn)的集中作用力.根據(jù)實(shí)際情況建立風(fēng)架孔模型，采用間接邊界元計(jì)算得到風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)處的聲壓級(jí)分布。

3.2 氣動(dòng)性能試驗(yàn)與噪聲試驗(yàn)

冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)分別在氣動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)架和半消音室中進(jìn)行。氣動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)量風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇出風(fēng)口處的空氣流量以及靜壓大小，如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)性能試驗(yàn)Fig.4 Test of Aerodynamic Performance

噪聲試驗(yàn)則在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口距風(fēng)扇中心1m處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量得到風(fēng)扇工作過程中兩點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，并通過測(cè)試軟件計(jì)算得到A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，如圖5所示。

圖5 噪聲性能試驗(yàn)Fig.5 Test of Noise Performance

3.3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

選取冷卻風(fēng)扇的額定工況（電機(jī)電壓U=13V，風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速Ω=2400r/min，出口靜壓為0Pa）進(jìn)行分析計(jì)算。仿真時(shí)風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速與出口靜壓與試驗(yàn)設(shè)置相同，冷卻風(fēng)扇原始方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜分布試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比情況，如圖6所示。

圖6 冷卻風(fēng)扇原始方案進(jìn)出風(fēng)口仿真與試驗(yàn)頻譜圖對(duì)比Fig.6 Comparison Between Simulation and Test SPL Spectrum at the Inlet and Outlet of Original Cooling Fan

由圖6可知無論是進(jìn)風(fēng)口還是出風(fēng)口，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，且都呈現(xiàn)同樣的規(guī)律：周期性噪聲在1階BPF處峰值最高，2階以上等高階BPF處峰值較小，可忽略不計(jì)；寬頻噪聲在總噪聲（尤其是高頻段）中占較大比重，不可忽略。

冷卻風(fēng)扇流量與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，如表1所示。可見風(fēng)量誤差為2.3%，進(jìn)出風(fēng)口噪聲值誤差分別為3.4%和3.9%，滿足工程要求.因此該仿真方法與結(jié)果可以作為后續(xù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的基礎(chǔ)。

表1 冷卻風(fēng)扇原始方案仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison Between Simulation and Test of Original Cooling Fan

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了解冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案的楔形結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能與噪聲性能的影響規(guī)律，并得到冷卻風(fēng)扇楔形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，選用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，并借助CFD/CAA耦合仿真的仿真方法，對(duì)不同冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案的氣動(dòng)性能和噪聲性能展開研究。

4.1 試驗(yàn)因素及水平

冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案的楔形結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：?jiǎn)蝹€(gè)葉片上楔形結(jié)構(gòu)的數(shù)量n、楔形結(jié)構(gòu)的厚度h、邊線AB與葉背曲線在A點(diǎn)切線的夾角α、AB在弦長(zhǎng)B0上的投影B1、邊線BC與弦長(zhǎng)的夾角β。因此選擇正交試驗(yàn)的試驗(yàn)因素分別為：數(shù)量n、厚度h、夾角α、長(zhǎng)度比B1/B0、夾角β.根據(jù)各因素需滿足的限制約束及條件（2），選定各因素水平，如表2所示。

表2 楔形結(jié)構(gòu)試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Levels of Wedge Structure Test Factors

4.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

冷卻風(fēng)扇在定電壓定工況下氣動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)通常包括靜壓效率η和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量QV0，噪聲性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括進(jìn)出風(fēng)口的頻譜圖及A計(jì)權(quán)聲壓級(jí).由于試驗(yàn)工況下出口靜壓近似為0，因此靜壓效率也近似為0；但風(fēng)扇結(jié)構(gòu)對(duì)其效率與噪聲性能的影響密切相關(guān)，噪聲較低時(shí)往往效率較高；而進(jìn)出風(fēng)口的噪聲特性類似，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量QV0和進(jìn)風(fēng)口A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為評(píng)價(jià)指標(biāo)安排正交試驗(yàn)。為探索楔形結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量與噪聲值的影響，選擇L16（45）標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)表，并采用上文中的仿真方法對(duì)各試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果，如表3所示。其中，因素A、B、C、D、E分別對(duì)應(yīng)參數(shù)n、h、α、B1/B0、β。由表3可以明顯看出，提出的冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案對(duì)冷卻風(fēng)扇原始方案的總體性能確有改善作用.其中，楔形結(jié)構(gòu)的增加對(duì)風(fēng)量的影響較小，試驗(yàn)方案1中風(fēng)量最大提升了3.5%，試驗(yàn)方案4中風(fēng)量最多減小了0.58%，但仍滿足工程要求；而楔形結(jié)構(gòu)的增加則能夠明顯降低冷卻風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口處的聲壓級(jí)，試驗(yàn)方案16中噪聲值最大減小了8.6%。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Orthogonal Test and Results

5 結(jié)果分析

5.1 極差分析

為了找出楔形結(jié)構(gòu)五個(gè)因素對(duì)冷卻風(fēng)扇性能影響的主次順序及各因素最優(yōu)水平，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表4所示。根據(jù)表4的極差分析結(jié)果，可以得到楔形結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的影響主次順序以及影響規(guī)律.根據(jù)極差分析表中各個(gè)因素對(duì)應(yīng)極差值的大小，可以得出：對(duì)于冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量，各因素影響主次順序?yàn)锽＞A＞D＞C＞E；對(duì)于冷卻風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，各因素影響主次順序?yàn)镋＞A＞C＞D＞B；即楔形結(jié)構(gòu)的厚度h和數(shù)量n是影響冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案風(fēng)量大小的主要因素，而夾角β和數(shù)量n是影響冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案噪聲性能的主要因素。

表4 極差分析表Tab.4 Range Analysis

以試驗(yàn)因素各水平為橫坐標(biāo)，以各水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果均值作為縱坐標(biāo)，繪制各試驗(yàn)因素對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量和噪聲值的影響趨勢(shì)圖，如圖7所示。

圖7 各因素對(duì)風(fēng)量和噪聲影響趨勢(shì)圖Fig.7 Influence Trend on Flow and Noise of Each Factor

結(jié)合表4和圖7的結(jié)果可知，為了使冷卻風(fēng)扇風(fēng)量更大，應(yīng)選擇較少的楔形結(jié)構(gòu)數(shù)量n和合適的厚度h；為了使冷卻風(fēng)扇噪聲值最低，應(yīng)選擇較多的楔形結(jié)構(gòu)數(shù)量n和較小的夾角β。同時(shí)，使冷卻風(fēng)扇風(fēng)量最大的各試驗(yàn)因素最優(yōu)水平組合為B3A1D1C3E3，而使冷卻風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口處聲壓級(jí)最小的最大的各試驗(yàn)因素最優(yōu)水平組合為E2A4C4D4B2，即分別為優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2。

5.2 優(yōu)化效果驗(yàn)證

由于楔形結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻風(fēng)扇流量影響較小，且以降低冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲為主要目標(biāo)，因此僅對(duì)優(yōu)化方案2進(jìn)行驗(yàn)證。優(yōu)化方案2風(fēng)扇和原始風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的噪聲頻譜圖，如圖8所示。

圖8 冷卻風(fēng)扇原始方案與改進(jìn)方案進(jìn)風(fēng)口處頻譜圖Fig.8 SPL Spectrum at Inlet of Two Cooling Fans

可見設(shè)置了楔形結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇高頻段的渦流噪聲明顯降低。且優(yōu)化方案2風(fēng)扇風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)口噪聲總聲壓級(jí)分別為2940.1m3/h和60.37dB，與原始方案性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，風(fēng)量提高了0.59%，噪聲值降低了8.8%。

6 結(jié)論

（1）借助CFD/CAA耦合仿真方法計(jì)算冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能與噪聲性能，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，風(fēng)量誤差為2.3%，進(jìn)出風(fēng)口噪聲值誤差分別為3.4%和3.9%，均滿足工程實(shí)際要求，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；

（2）提出了一種在原始風(fēng)扇葉片吸力面上增加楔形結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)扇改進(jìn)方案，并定義了楔形結(jié)構(gòu)的參數(shù)；

（3）通過正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)楔形結(jié)構(gòu)數(shù)量參數(shù)對(duì)冷卻風(fēng)扇噪聲性能影響顯著；綜合考慮風(fēng)量和噪聲的關(guān)系，選擇楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；將優(yōu)化方案與原始方案進(jìn)行對(duì)比，風(fēng)量提高了0.59%，噪聲值降低了8.8%，效果顯著。