基于CFD方法的環形風扇頂隙流動研究

鮑偉東 張博峰 栗林濤

摘 要：針對環形風扇系統存在葉頂間隙流大、風扇效率低的問題，提出了新的環形風扇護風裝置，用于降低環形風扇回風量。文中基于計算流體力學（CFD）方法，建立了車輛冷卻系統三維數值計算模型，用于確定不同葉尖間隙對風扇回風量的影響。結果表明，改進的環形風扇護風裝置相比U型護風裝置，有效風量提高13%，風量利用率提高16.3%，系統散熱能力提高3.5%以上。對于使用新型環形風扇護風裝置的車輛，相比使用U型護風裝置的車輛風扇轉速降低13%，提高了整車燃油經濟性。

關鍵詞：頂隙；計算流體力學；護風裝置；環形風扇；風量利用率

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-50-05

Abstract： For the ring-fan system， there is a problem that the top clearance flow is large and the fan efficiency is low. A new ring-fan shroud is proposed to reduce the return flow of the ring-fan. Based on the computational fluid dynamics （CFD） method， a three-dimensional numerical calculation model of the vehicle cooling system was established to determine the influence of different tip clearances on the fan return flow. The results show that the improved shroud of the ring-fan can increase the effective flow by 13%， the flow utilization rate by 16.3%， and the system heat dissipation capacity by more than 3.5% compared with the U-type shroud. For vehicles using the new shroud， the vehicle fan speed is reduced by 13% compared to the U-type shroud， which improves the vehicle's fuel economy.

Keywords： tip clearanc； CFD； shroud； ring-fan； utilization rate

CLC NO.： U463.6 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-50-05

引言

能源危機和環境污染是當今世界所面臨的兩大難題，為了不斷滿足日益嚴苛的噪聲和排放法規，常規柴油機車輛、替代燃料車輛、混合動力車輛等均采用了低噪聲的環形風扇代替傳統的開口風扇。通過對環形風扇的研究以及實驗室測試，發現環形風扇可以有效改善風扇流場，對于約束和控制葉尖漩渦是非常有效的，可以有效減少葉尖處的渦流噪聲 [1-6]。

圖1所示為環形風扇及環形風扇護風裝置結構示意圖，采用U型護風罩與環形風扇配合，考慮到風扇與發動機一起運動，具有較大葉尖間隙（風扇與護風罩之間具有較大的徑向間隙≥20mm和軸向間隙≥25mm）。實際上，這種U型護風系統在降低噪聲和提高風扇效率方面并未達到期望的效果。其主要原因在于：為防止動葉與護風裝置發生摩擦和碰撞，通常在扇葉頂部和護風系統之間留有較大的間隙。由于葉頂的壓力面和吸力面存在壓差，葉片通道內的一部分氣體會越過葉頂間隙形成葉頂間隙流。在與主流相互摻混作用后，會在葉頂區域形成葉頂泄漏渦。葉頂間隙渦是一種非常復雜的三維粘性流動，是在護風系統內壁附面層、葉片表面附面層、主流氣動干涉的綜合影響下形成的。由于葉頂泄漏流沒有風扇功的輸入，因此與主流相比為低能流體，會在葉片的頂部區域引起泄漏損失和堵塞。葉頂間隙流對風扇的影響主要有兩個方面，一是產生泄漏損失，造成風扇效率的降低；二是主流于回流混合過程中產生渦流噪聲，從而增加風扇的葉尖渦流噪音[7]。同時有研究表明，泄漏流速的增加導致泄漏渦旋渦強度的增強；葉尖泄漏渦不僅會造成流動堵塞，而且會造成葉尖壓力脈動；提高風扇效率和擴大穩定工作范圍的關鍵在于改善尖部流動，抑制各種旋渦的產生，控制旋渦的運動以及減少氣流摻混。減小葉尖間隙在抑制和減小渦流噪聲的同時，可以使風扇氣動性能得到改善[8-9]。

所以通過減小環形風扇的葉尖間隙而減少風扇回風量，可以改善風扇葉尖區域的氣動性能，不僅可以提高風扇的效率，降低發動機風扇功率消耗，還可以有效降低風扇的噪音。

為了減小環形風扇的葉尖間隙，提出了新的環形風扇護風裝置，采用CFD軟件對改進的環形風扇系統進行了模擬和分析。

1 改進的環形風扇護風裝置

為解決環形風扇的U型護風罩系統回風量大的問題，提出了新的環形風扇護風裝置，如新方案所示，在發動機上固定氣動環，氣動環與護風罩之間用護風軟罩連接，允許將風扇外圓與氣動環之間的間隙做到6mm（考慮到零件的加工誤差導致的圓度問題以及風扇隨發動機跳動引起的偏心問題），有效的減少葉尖間隙，以提高環形風扇的效率，具體結構如圖2所示。

2 風扇系統模型流場的CFD計算驗證

STAR-CCM+軟件針對各種復雜流動的物理現象，采用適當的數值解法，以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到優化組合，從而高效率地解決各個部件的復雜流動計算模擬[10]。

2.1 幾何模型及條件設定

如表1所示，文中共提出了5種模型，具體描述如表中所示。T表示風扇與護風罩之間的徑向間隙。

圖3所示為風扇系統的流體域示意圖，系統主要包括散熱器、中冷器、護風裝置、風扇。左側為流體域入口，右側為流體域出口。并對模型的進行了局部的簡化，在保證計算精度的同時，以提高模擬計算的速度。

計算流體域采用多面體網格劃分。入口邊界條件：Stagnation Inlet，出口：Pressure Outlet，風扇轉速：1800r/min。散熱器和中冷器采用多孔介質模型模擬。在多孔介質模型中，用公式1來計算每單位長度的理論壓降：

v：通過多孔介質的流速m/s；pi、pv：是定義多孔介質阻力的系數，分別是慣性阻力系數和粘性阻力系數。根據散熱器和中冷器單體風洞試驗的測試數據，使用Matlab對數據進行數據擬合，以計算出多孔介質阻力系數pi、pv：

散熱器：pi=84kg/m4；pv =608kg/m3s；

中冷器：pi=39kg/m4；pv =192.5kg/m3s。

模擬過程中假定空氣不可壓縮，模擬計算采用segregated方法，湍流模型為RANS算法中的realizable k-ε湍流模型。固壁面采用無滑移邊界條件。在差分格式中，壓力項采用標準格式，速度項、湍動能項和湍流粘性系數項均采用二階迎風格式，壓力與速度之間的耦合算法為SIMPIE [10-11]。

2.2 模擬分析以及數據計算

2.2.1 流場分析

圖4～圖8所示為流體域Y=0截面上的速度分布圖。在采用U型護風罩匹配環形風扇時，風扇與護風罩的軸向間隙20mm，徑向間隙為25mm。如圖4、圖5所示，沿氣流流動方向，風扇前部區域為低壓區，風扇后部區域為高壓區，風扇前部為吸風面，風扇后部為出風面。環形風扇吸風面的壓力小于風扇出風面的壓力，由于存在較大的徑向間隙和軸向間隙，在壓力差的作用下導致出風面氣流通過葉尖間隙流大量回流到吸風面，此處的回流氣流方向與風扇主氣流的方向相反。回流再次進入吸風面的低壓區，與主流混合，由于流向相反，混合過程中會產生渦流，渦流必然產生渦流噪聲，回流嚴重時會產生流動堵塞。如圖5～圖8所示，隨著風扇葉尖間隙的減小，回流阻力增加，回流量明顯減少，回流與主流混合明顯減弱，形成的渦流規模也相應的減小。主要原因是泄漏流速的減小導致泄漏渦旋渦強度的降低，風扇葉尖區域的流動得到極大的改善，抑制各種旋渦的產生和氣流的摻混。所以隨著葉尖間隙的減小，風扇頂隙區域的回風量明顯減少，從而有效改善了風扇葉尖區域的流動，抑制了渦流的產生，直接影響了整個風扇內部流場及氣動性能，特別是對軸流風扇的工作效率、壓頭和工作穩定性的影響。

雖然U型護風裝置是基于迷宮型密封原理設計而成，原理上通過結構上的設計增加回流阻力，從而可以有效的減少氣流的回流泄露，但是由于軸向和徑向間隙較大，密封效果變差，回流并未得到有效的抑制。通過對圖4至圖8分析，徑向間隙從25mm降低到6mm，由于徑向間隙的不斷減小，導致通過頂隙區域處的氣流逐漸減少，環形風扇護風裝置的密封效果逐漸轉好。

2.2.2 風扇風量利用率分析

為了便于評價環形風扇護風裝置對冷卻系統有效風量的影響，進而評價對系統性能的影響，所以定義了風扇風量利用率E，E為通過散熱器芯體區域的質量流量Qd和通過風扇出風面的質量流量Qt的比值。如公式2所示：

式中：Qd-通過散熱器芯體區域的質量流量；Qt-通過散熱器芯體區域質量流量。

表2所示為根據上面CFD模擬得到的5種模型的風量利用率對比。

圖9所示為5種模型的風扇風量利用率的對比圖。如圖9所示，U型護風罩的環形風扇系統的風量利用率最低，主要原因為：U型護風罩因為其與環形風扇的配合出現了較大的軸向間隙和徑向間隙，導致通過風扇的高壓氣體通過葉尖間隙回流到吸風面的低壓區，而且葉尖間隙越大，回流量越大。所以如表2所示，對于U型護風系統，通過散熱器的有效風量減少，而通過風扇出風面的風量增加，主要是由于風扇回風量增加導致的。同時從數據分析出，隨著葉尖間隙的減小，回風量明顯減少，而風扇的總風量并未出現明顯的變化，從而導致通過散熱器的風量明顯增加。

根據上文中的流場模擬結果，得到了通過散熱器芯體區域的質量流量數據，從表2數據計算，模型5（T=6mm）相比模型1（U型護風罩）芯體區域的質量流量提高了13%，風量利用率提高16.3%。

2.2.3 環形風扇護風裝置對散熱系統影響分析

根據2.2.2的分析結論，模型5相比模型1芯體區域的質量流量提高了13%，風量利用率提高16.3%。在相同的冷卻系統中，其它條件不發生變化時，冷卻風量的增加會使散熱器散熱能力得到提高。對于裝配有調速風扇離合器（電磁離合器、電控硅油離合器等）環形風扇的載貨車，采用新方案的環形風扇護風裝置后，相同運行工況下，由于所需要的散熱需求相同，所以會使風扇得需求轉速降低，進而使風扇功耗得到降低，從而也會降低整車燃油消耗率。

根據上述的計算數據，利用散熱器單體風洞試驗數據可以通過數學方法，預測出新的環形風扇系統散熱能力的提升情況。表3所示為此款散熱器的單體風洞試驗數據，試驗要求滿足QC/T 907-2013標準要求[12]。

以表3的數據為例使用Matlab軟件進行數據擬合，在相同水流量的情況下，擬合風速-散熱量曲線，得到擬合以后的公式，擬合模型：

表4為對應不同流量下采用最小二乘法擬合以后對應的二次多項式的系數表。

圖10繪出了原始數據與擬合曲線的對比情況，原始數據與擬合曲線的擬合度非常好，R2均能達到0.99，根據表4中的公式，可以得到使用新的環形風扇護風裝置以后對散熱能力提升的情況。通過計算，當散熱器芯體質量流量提高13%時，散熱量可以提高超過3.6%以上。

一般來說，風扇風量Q與風扇直徑D、風扇轉速n之間存在如下的關系[13-15]：

根據公式4，風扇的風量與風扇轉速成正比，相同散熱需求下，通過散熱器芯體區域的風量需求相同，新的環形風扇護風裝置可以將冷卻系統風扇轉速降低13%，從而有效降低了風扇的功率消耗，提高了整車的燃油經濟性。

另外，風扇噪聲的聲壓級（以下簡稱為SPL）和風扇直徑D、風扇轉速n之間存在如下關系：

根據公式5，車輛運行工況相同時，系統散熱能力相同，新的環形風扇護風裝置相比U型護風裝置系統可以將風扇轉速降低13%，風扇噪聲聲壓級降低34%。

3 結論

（1）U型護風裝置由于存在較大的葉尖間隙，迷宮式密封并未起到有效的密封作用。

（2）環形風扇葉尖間隙的減小可以有效減少回風量，從理論上可以減小因回流與主流混合而產生的渦流，減小因渦流而產生的渦流噪聲以及氣流阻塞。

（3）改進的環形風扇密封裝置（T=6）相比U型護風裝置，芯體區域的質量流量提高了13%，風量利用率提高16.3%，冷卻系統散熱能力提高3.5%以上。

（4）對于采用可控風扇離合器的車輛，采用了新的環形風扇護風裝置后，相比之前的U型護風罩，風扇轉速降低13%，風扇噪聲聲壓級降低34%，降低發動機功率消耗的同時，降低了整車的噪音。

參考文獻

[1] 吳迪.ISG混合動力汽車能量優化管理策略研究[D].合肥工業大學， 2013.

[2] 歐洲經濟委員會.ECE Regulation No.51 Revision 1-amendment 3 uniform provisions concerning the approval of motor vehicles having at least four wheels with regard to their noise emission [S]. 2007.

[3] 國家環境保護總局，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 1495-2002汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法[S].北京：中國環境科學出版社，2005.

[4] Haruhiro Tsubota. Research and Development of Ring Fan. KOMA -TSU TECHNICAL REPORT Technical paper. 2007（ 53） NO.159.

[5] 上官文斌，莫偉標，署恒濤等.發動機環形冷卻風扇結構與參數對氣動性能影響的研究[J].內燃機工程.2017 38（1）.

[6] 徐錦華，倪計民，石秀勇等.車用冷卻風扇安裝位置對其性能影響的分析研究[J].汽車技術.2012 （1）.

[7] 李煜.葉頂泄漏對壓氣機性能的影響[D].哈爾濱工程大學.2014.

[8] Denton. J. D， Loss Mechanisms in Turbomachines[J]. ASME J. Turbomachinery， Vol.115 （4）， pp.621-656，1993.

[9] 蔡娜.非自模化區域內動葉葉尖間隙對氣動-聲學性能的影響[J].空氣動力學報，1999，17（3）：pp.257-261

[10] CD—adapco.STAR-CCM+Version4.04.Ol 1 USER GUID，2009.

[11] 王福軍.計算流體力學分析CFD軟件原理與應用[M].清華大學 出版社， 2004， 24～142.

[12] 中華人民共和國工業和信息化部.QC/T 907-2013汽車散熱器散熱性能試驗方法[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[13] 汽車工程手冊設計篇[M].人民交通出版社. 2001，182～186.

[14] 趙要珍.轎車發動機冷卻風扇的CFD 分析與低噪聲優化設計[D].吉林大學， 2006.

[15] 唐勇偉.汽車發動機冷卻風扇氣動性能和聲學性能研究[D].吉林大學， 2007.