發動機冷卻風扇周向彎曲葉片噪聲優化設計

徐蘊婕　賀航　肖凱

摘 要：介紹了汽車發動機冷卻風扇性能CFD仿真方法，對已有的冷卻風扇進行數值模擬，并對比實驗數據驗證仿真可靠性。結合風扇結構參數等因素建立三種不同型式的風扇葉片，討論了葉片對風扇性能的影響，在不同的工況下對葉輪進行選型，為整車冷卻風扇的優化匹配提供了依據。

關鍵詞：冷卻風扇 CFD 改型設計

Noise Optimization On The Circumferential Skewed Blade Design of Engine Cooling Fan

Xu Yunjie He Hang Xiao Kai

Abstract：In this article， The CFD modeling and solution techniques for estimating aerodynamic performances of engine cooling fans are presented， the method is developed to be valuable reference by comparing the CFD results and test. Combined with the fan structure parameters， three different types of fan blades are established， the influence of the blades type on the fan performance is discussed， and the selection of the impeller under different working conditions is carried out， which provides a basis for the optimization and matching of the vehicle cooling fan.

Key words：Engine cooling fan; CFD; Remodel design

1 前言

隨著汽車工業的迅速發展，環保法律法規及汽車油耗標準的日益嚴格，消費者對于汽車動力性能和舒適性的追求也在不斷提高，冷卻風扇作為冷卻系統主要部件，其散熱性能和噪聲大小對整車的熱管理及NVH指標有著重要影響。因此，對風扇氣動性能以及噪聲特性進行研究，并對現有風扇的設計優化具有重要的工程價值。

自20世紀40年代以來，扭曲葉片開始應用到軸流風機領域，扭曲葉片設計大大提高了軸流風機的氣動性能。60年代初，哈爾濱工業大學的王仲奇教授和前蘇聯學者費里鮑夫提出了應用于航空領域的彎扭葉片聯合氣動成型方法，彎掠風葉可控制徑向壓力分布和二次流分布，不僅大幅度提高風機的氣動-聲學性能，還能顯著擴大穩定軸流風機工作區間，彎掠葉片設計成功的運用到汽輪機和航空發動機上。MG.Beiler[1]采用數值方法研究了彎扭葉片的內部流場，并通過實驗測試研究表明，前彎葉片可以改善流場分布，顯著提高風機的氣動性能和聲學性能。Fukano[2]對前彎和后彎葉片進行了實驗研究，證實彎掠葉片可有效改善葉片尾流情況。

近年來，國內外學者對于軸流風機彎掠技術進行了大量的研究分析，上海交通大學鐘芳源[3]教授將彎掠葉片設計應用于低壓軸流風機，進行了數值模擬和試驗測試的研究工作，并將彎掠葉片的小型風扇應用到家用電器中。王軍，于文文[4]等人，利用通過數值模擬和變型設計方法，篩選出高性能的彎掠葉片，并應用到變壓器冷卻領域中。李楊[5-6]等針對通用型軸流風扇葉片，采用CFD計算風扇流場，利用人工神經網絡BP算法和遺傳算法相結合，對葉片前彎角進行優化。車用冷卻風扇的研究更多集中在散熱影響，葉片結構重要集中在翼型、弦長、葉片數、安裝角等方面，關于彎掠的設計方面相對較少。

本文以某型乘用車發動機冷卻風扇為例，通過研究彎掠葉片氣動參數與氣動、聲學性能間的關系，以期改善流動狀態，提高軸流風機的氣動和聲學性能指標。

2 風扇分析及驗證

2.1 氣動性能試驗臺

根據《GB1236/2000通風機空氣動力性能試驗方法》標準來對一般情況下的通風機的性能進行測試。

根據此標準的要求，選用C型進氣風室試驗裝置，即通風機進氣口端與風室的腔室出口相連接，而通風機出口開向大氣。風扇試驗裝置圖如下圖1所示。

C型試驗裝置主要由管道部分和出口部分組成，主管道和多噴嘴孔板前后分別設置壓力計，為穩定管道內氣流，風室管道內設置整流柵，通過調節噴嘴組合開關調節壓差及空氣流量。風扇安裝在風室管道出口處，主要包括調節風扇轉速的驅動電機、扭矩傳感器、轉速測量儀。

2.2 CFD流場分析

2.2.1 CFD仿真模型

按照試驗布置建立流場計算模型，將計算區域分為入口區、過渡區、旋轉流體區及出口區4個部分。為降低計算量，簡化風扇三維模型，采用Ansys前處理Mesh模塊進行網格劃分，考慮到葉片形狀的復雜性，對計算域采用非結構四面體網格分區劃分的方法，其中旋轉域網格數量159w，入口區和出口區網格數95w，旋轉域和葉片表面進行局部加密處理，以保證網格精度。計算區域網格劃分如圖2所示。

2.2.2 流場邊界條件設置

采用Fluent軟件對風扇進行數值模擬計算，采用有限體積法離散控制方程，采用二階迎風格式，計算采用RNG K-ε模型求解N-S方程，并采用SIMPLE壓力修正算法來求解速度與壓力的耦合。

進出口面均設為壓力入口條件;出口面設為壓力出口條件，相對大氣壓力為0pa。入口區、出口區和旋轉區相鄰計算域交界面設置為interface邊界，旋轉區定義為旋轉坐標系，設定速度2400rpm，其中葉片和輪轂設置為移動壁面[7]。

設置各方程殘差為1×10-4，設置進出口面的質量流量為監測量，進出口流量穩定且差值小于10-3時，計算迭代達到穩定收斂。

2.3 流場結果驗證

如圖3所示，CFD計算不同靜壓下流量值并與試驗結果對比，結果顯示，數值模擬與實驗結果趨勢一致，在相同靜壓下，最大相對誤差不超過5%。由此可驗證CFD模擬結果精度良好，符合工程計算標準，可作為后續優化設計依據。

3 風葉優化設計分析

目前軸流風扇領域葉片改型設計方面，對于葉片葉片安裝角、葉片數、直徑、弦長、輪轂比等因素的研究較多。針對風扇本身氣流參數和結構參數，基于彎掠軸流風機葉片的優越性，我們考慮將其應用于發動機冷卻風扇領域。

葉片基本結構參數如下表1所示。

在給定了風機的性能參數和部分結構參數的情況下，僅通過調整葉片彎掠型式改善風扇的氣動性能是一種快速有效的方法。

改型風葉彎掠曲線如上圖4所示，通過調整曲線及夾角控制葉片形狀，建立三種結構風葉模型。如下圖5所示。

3.1 氣動性能分析

按照前述相同的建模、網格劃分及數值模擬方法進行數值計算，預測風扇氣動性能。通過計算不同靜壓下風扇流量，后處理得到不同流量時風機的靜壓及全壓效率結果，擬合靜壓-流量特性曲線及靜壓效率-流量特性曲線，數值計算結果對比如下圖6所示。

由靜壓-流量曲線可看出，在低靜壓區域后彎葉片流量更大，隨著靜壓增大后彎葉片流量急劇下降，徑向葉片和前彎葉片穩定工作區域更大，隨著前彎角度增大，同轉速下葉片做功能力有所下降。

由圖7靜壓效率-流量曲線可看出，隨著流量增大，靜壓效率均呈現出先上升后下降的特征，其中后彎葉片的最大效率值略高徑向葉片和前彎葉片。效率峰值及右側區域為葉片最佳工況點附近，具有良好的內部流場。當流量從峰值降低至左側區域后，由于翼型表面產生邊界層分離，出現失速現象，葉尖前緣此部分出現漩渦，風機全壓隨之下降。

如考慮到整車設計工況，高速路況下，車頭進風可滿足發動機艙內各零部件及空調系統大部分散熱需求，風扇處于低速工作狀態，不同葉片間氣動性能區別對散熱系統影響較小;怠速條件下，整車風阻值初步估算150pa～200pa，前彎葉片和徑向葉片在相同功率下流量更大，效率更高，綜合性能更為適配該區域。

3.2 葉片氣動噪聲分析

為驗證風扇噪聲性能，本文試驗采用半消聲室對CNC加工制作的快速成型樣件進行噪聲性能測試，根據標準，分別在風扇進風側1m處布置麥克風，測試結果如下表2所示：

臺架試驗結果表明，前彎風葉噪聲結果好，同時在風阻更高的工況下綜合性能更好，后彎葉片聲壓級最大，但在汽車來流較大的高速路況，即低靜壓區域，由于流量更大、效率更高，可通過降低轉速的改善噪聲。

同時將三種葉片結構的風扇更換到整車上面進行噪聲測試和主觀評估，噪聲測試結果如下表3：

整車測試結果顯示，前彎葉片無論是聲壓級還是Tonal Noise都優于其他兩種葉片，主觀評估前彎葉片噪聲降低明顯。

4 結論

1.論文以國內某款乘用車發動機冷卻風扇葉片為研究對象，利用Navier-Stokes 方程和κ-ε湍流模型，建立計算模型，使用Fluent仿真軟件對風扇氣動性能進行了模擬分析，通過模擬計算和實驗結果對比，驗證了仿真計算模型果的準確性;

2.通過變型設計方法，對比了三種不同葉片型式的氣動性能，在低靜壓區域后彎葉片流量更大，隨著靜壓增大后彎葉片流量急劇下降，徑向葉片和前彎葉片穩定工作區域更大，隨著前彎角度增大，同轉速下葉片做功能力有所下降;

3.建立高效彎掠葉片風扇模型，通過模擬分析和實驗驗證，整車怠速工況下，前彎葉片擁有更好的氣動性能及氣動噪聲，在本車型中噪聲相比后彎葉片可降低3dB左右，可針對不同工況需求對葉輪進行選型，為整車冷卻風扇的優化匹配提供了依據。

參考文獻：

[1]Beiler， M.G.， Carolus， T.H. Computation and measurement of the flow in axial flow fans with skewed blades[J]. Journal of Turbo machinery， Transactions of the ASME，1999，121（1）：59～66.

[2]T Fukano. Noise Generated by Low Pressure Axial Flow Fans：? Modeling of the Turbulence Noise[J]. Journal of Sound and Vibration，1977，50：63～74

[3]蔡娜，鐘芳源.彎掠動葉擴大穩定工作范圍的實驗研究[J].航空動力學報，1996，11（3）：229～232.

[4]于文文，王軍，朱偉鋒，李業.冷卻用彎掠軸流風機氣動噪聲預測與試驗分析.工程熱物理學報，2012，33（5）：778～783.

[5]歐陽華，李楊，杜朝輝，鐘芳源.周向彎曲方向對彎掠葉片氣動-聲學性能影響的實驗[J].航空動力學報，2006，21（4）：668-674.

[6]李楊，歐陽華，杜朝輝.軸流風扇轉子葉片優化設計[J].上海交通大學學報，2007，41（9）：1522-1525.

[7]郭浪，卓文濤，張鑫.發動機冷卻風扇氣動噪聲優化設計[j].汽車實用技術.2020，（14）：40-42.