護風圈對發動機冷卻風扇氣動性能影響的CFD分析

王恒宇

摘要：本文采用Realizable k-ε湍流模型對發動機冷卻風扇進行CFD模擬，計算了轉速2000r/min時的風扇流量，研究護風圈對其氣動性能的影響。在此基礎上，利用寬帶聲源模型中的Curle噪聲源模型對風扇流場中的噪聲源分布進行了分析，并通過瞬態仿真分析護風圈對風扇噪聲頻率特性的影響。分析結果表明：安裝護風圈可以提高風扇11.6%的流量，同時可以降低氣動噪聲。

Abstract： In this paper， Realizable k-ε turbulence model was used to simulate the cooling fan of engine. The mass flow of the fan at 2000 r/min was calculated， and the effect of shield ring on its aerodynamic performance was studied. Based on this study， the noise source distribution in fan flow field was analyzed by using the Curle sound energy formula of the broadband sound source model. Then，transient simulations for the flow field were done to analyze the frequency performances of fan noise. The analysis results show that installing the shield ring can increase the flow of the fan by 11.9% and reduce the aerodynamic noise.

關鍵詞：冷卻風扇;護風圈;流量;氣動噪聲

Key words： cooling fan;shield ring;mass flow;aerodynamic noise

0? 引言

近年來汽車工業在持續高速發展，人們對汽車性能的要求越來越高，發動機冷卻系統作為保證發動機正常運轉的重要組成部分也在不斷發展，冷卻風扇是發動機冷卻系統的關鍵部件，用于加快空氣的流動，提高冷卻效果，其性能對發動機冷卻性能有著至關重要的作用。為滿足冷卻系統的散熱量要求，冷卻風扇需提供足夠的空氣流量。目前對冷卻風扇的優化設計主要依靠試驗研究和數值仿真，隨著計算流體力學（CFD）理論與計算機性能的不斷提高，數值仿真逐漸成為一種高效而可靠的技術手段，在一定程度上可以取代試驗研究，大大縮短設計周期，發動機風扇研究逐漸開始依靠CFD仿真[1-3]。Tobias[4]通過進行數值計算與風道試驗，驗證了多重參考系模型（MRF）對發動機冷卻風扇氣動性能模擬的準確性。導風罩是汽車發動機冷卻風扇中常見的輔助部件，通過分析徑向間隙與風扇沉入量對風扇性能的影響，可以為風扇形式布置提供可靠的指導[5]。

本文針對某車型使用的發動機冷卻風扇及其導風罩與護風圈，利用流體力學分析軟件STAR-CCM+建立CFD仿真模型，探究護風圈對風量與噪聲的影響。結合仿真結果與實際需要，為發動機導風罩與護風圈的設計提供指導意見。

1? 風扇穩態仿真

1.1 流場模型建立

將發動機冷卻風扇的3D數模導入Hypermesh軟件進行幾何處理，簡化風扇輪轂上的復雜幾何特征，以提高網格質量、減少仿真計算量。建立通流區模型，為保證導風罩位于進口區管道內，進口區直徑略大于導風罩對角線長度，進口區長度為入口管道直徑的6倍，與大氣相連的出口區直徑為進口區直徑的4倍。為風扇建立旋轉流體區域，建立導風罩圓環處的空氣流量監測面。在Hypermesh中使用三角形單元劃分風扇、導風罩、護風圈及通流區的面網格，導出面網格模型。

把面網格模型導入STAR-CCM+軟件，進行體網格劃分，采用多面體網格策略，可以減少網格數量，提高收斂速度。

1.2 邊界條件設定

設置入口條件為壓力入口，相對大氣壓的總壓為零;設置出口條件為壓力出口，相對大氣壓的靜壓為零。導風罩、護風圈與其他壁面設為靜止的無滑移壁面。設置旋轉流體區域與通流區之間的面為交界面。對于風扇旋轉的模擬，采用STAR-CCM+中提供的MRF模型（Multiple Reference Frame），該穩態算法占用計算資源較少且精度滿足工程需求。在模擬中只需設定風扇運動的相對坐標系及角速度，風扇本身不需要旋轉。本文設定旋轉流體區的轉速為2000r/min。

1.3 物理模型設定

發動機風扇轉動引起的流體運動屬于湍流運動，且屬于低馬赫數流動，可認為空氣為不可壓縮的理想氣體。采用穩態定常計算，忽略重力影響。氣動聲源強弱分布計算采用寬帶聲源模型中的Curle噪聲源模型。觀察各量的殘差曲線與監測面的流量曲線，當殘差與流量趨于穩定時，可認為計算結果收斂[7]。

1.4 網格無關性驗證

采用三種網格劃分方案對安裝護風圈情況下的風扇進行計算，計算風扇在轉速2000r/min下的流量，三種網格方案的計算結果相差在0.5%以內，如表1。為減少仿真時間同時提高仿真收斂性，本文采用收斂性較好的方案2。

1.5 穩態結果分析

本文分別對安裝護風圈和未安裝護風圈的發動機風扇進行研究，采用相同的網格劃分方案，設置相同的邊界條件與轉速，通過分析流場內部特征，探究護風圈對風扇氣動性能的影響。安裝護風圈后風扇的流量提高了11.6%，見表2。

圖3為流場y=0截面與風扇表面速度矢量圖，氣流在到達風扇之前為規則的層流流動，在旋轉風扇的作用下，氣流在扇葉表面的速度最高，風扇后的氣流呈螺旋狀向后流動，在風扇輪轂后形成一個低速區，主要是由于風扇輪轂阻擋了前方氣流，同時氣流在風扇離心力的作用下向四周分散流動。護風圈減小了風扇周圍的通流面積，氣流向四周分散的程度低于無護風圈時。

圖4為y=0截面壓力云圖，氣流在風扇后形成圓錐狀負壓區，同時也是低速區，這是風扇噪聲產生的主要原因之一。氣流在風扇后向四周分散流動，該區域氣流較少，形成負壓，隨著距離的增加與氣流的不斷補充，負壓區越來越小，直至與周圍的壓力相同，負壓區消失。而在護風圈的作用下，減少了部分氣流的分散，形成的負壓區相對較小。

圖5是風扇與導風罩表面聲功率分布圖，可以看到，風扇聲功率較大的區域主要是是扇葉末端，可以看出安裝護風圈的風扇扇葉末端聲功率相對較小。這是由于護風圈與風扇之間間隙小于導風罩與風扇之間的間隙，間隙越大，形成的湍流流場越大，流場變化越劇烈，如圖6所示，無護風圈時間隙中的漩渦更多且漩渦強度更大，引起的氣動噪聲越大。護風圈破壞了風扇葉尖與護風罩之間渦流的形成，阻止了部分回流，增加了風扇流量同時減小了氣動噪聲。

2? 風扇瞬態仿真

2.1 瞬態仿真模型建立

穩態仿真可以定性分析護風圈對風扇風量的影響與風扇在旋轉過程中噪聲的形成機理，進行噪聲預測，為了更準確地對聲場進行仿真，需進行瞬態仿真，研究風扇噪聲的頻率特性。

本節利用STAR-CCM+軟件對風扇流場進行瞬態仿真分析，采用穩態仿真中的網格，用動網格模型模擬風扇的旋轉，聲場仿真采用大渦模型（LES），其他設置與穩態仿真模型相同。模擬流體在0.05s內的流動過程，時間步長設為5×10-5s，由于計算資源有限，將每個時間步長內的最大內迭代次數設置為20次。計算結束后，根據計算得到的流場數據，采用Ffowcs-Williams &Hawkings（FW-H）噪聲求解模型計算得出風扇的總聲壓級。定義風扇表面為噪聲源，噪聲接收點位于其下游軸線上距離風扇中心1m處，該點的選取是根據GB/T2888-91《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》。

2.2 瞬態結果分析

提取噪聲接收點的總聲壓級，通過傅里葉變換得到接收點噪聲頻譜1/3倍頻圖，如圖7所示。風扇旋轉產生的噪聲的最大值出現在低頻段，同時高頻噪聲聲壓級大于60dB。安裝護風圈的風扇所產生的噪聲低于未安裝護風圈的風扇，與穩態仿真得到的結果一致。

3? 結論

本文建立發動機風扇的CFD仿真模型，分別模擬了安裝護風罩與未安裝護風罩兩種模型，對流場進行了速度、壓力與噪聲分析，分別進行穩態及瞬態仿真。計算結果表明：護風圈可以減少風扇與導風罩之間的漩渦，提高11.6%的風扇流量，同時降低氣動噪聲。發動機冷卻風扇安裝護風圈有助于提高氣動性能。

參考文獻：

[1]耿麗珍，袁兆成.轎車發動機冷卻風扇CFD仿真分析及降噪研究[J].汽車工程，2009（7）：664-668.

[2]孟慶林，尹明德，朱朝霞.基于STAR CCM+的發動機冷卻風扇CFD仿真分析[J].機械工程與自動化，2015，3：64-66.

[3]王振寧，王紅.基于計算流體力學汽車冷卻風扇優化設計[J].機械設計與制造，2016（10）：182-186.

[4]Tobias Berg，Anna Wikstrom.Fan Modelling for Front End Cooling with CFD.Lulea：Lulea University of Technology，2007.

[5]陳彬彬，秦四成，習羽，等.工程車輛冷卻風扇流體特性仿真分析[J].筑路機械與施工機械化，2014（5）：91-94.

[6]V.Yakhot，S.A.Orzag.Renormalization Group Analysis of Turbulence：Basic Theory.Scientific Computing，New York，1986：3-51.

[7]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.