高海拔環境下扇葉安裝角對冷卻風扇性能的影響

吉華，羅紅英，段宗幸，葉通騎，陳志

高海拔環境下扇葉安裝角對冷卻風扇性能的影響

吉華1，羅紅英1，段宗幸2，葉通騎2，陳志2

（1.西藏農牧學院 水利土木工程學院，西藏 林芝 860000；2.四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065）

使用Fluent軟件建立冷卻風扇的數值計算模型，研究了海拔高度、安裝角對冷卻風扇的所需功率和質量流量的影響。由于在高海拔環境下空氣密度降低，引起流經冷卻風扇的質量流量減少，造成冷卻風扇的散熱能力降低。同時，冷卻風扇所需軸功率也下降，而電機輸出功率基本保持不變，造成輸入冷卻風扇的動力不能完全利用。增加扇葉安裝角，風扇的質量流量增加，同時軸功率也會上升。所以在高海拔條件下，增大扇葉安裝角，可以不增加輸入風扇動力，同時提高風扇的散熱能力。最后，基于計算結果，給出了不同海拔高度下扇葉安裝角的計算方法和示例。

高海拔；扇葉安裝角；軸功率；散熱能力

我國擁有世界上面積最大的高原，2 km以上的高原占國土面積的33%，3 km以上的占26%。這些地區的建設需要各類工程機械。在高海拔地區，因為空氣密度的下降，造成裝備動力艙流經冷卻風扇的空氣質量流量減少，散熱能力大幅低于設計要求[1]。劉建敏等[2]利用GT-suite軟件建立了某裝甲車輛柴油機工作過程模型和冷卻系統模型并進行耦合，結果表明冷卻風扇質量流量平均減小11.20%，是引起柴油機出口水溫升高的原因，并提出了在海拔2600 m以上時必須降負荷或提高冷卻系統散熱能力后使用的建議，但是沒有提出具體機械結構上改進措施?所以有必要研究高海拔條件下冷卻風扇的工作特性以及改進方法。

高海拔造成流經冷卻風扇的質量流量減少，也會造成所需軸功率的下降，而電機輸出功率基本保持不變。扇葉安裝角的增加，可以帶來質量流量的增加，風量亦會增大，同時軸功率、整體功耗增加[3]。將這兩點結合起來，增大扇葉安裝角，可達到在充分利用輸入風扇動力的同時，增大流經風扇的質量流量，提高散熱能力。目前針對高海拔條件下冷卻風扇的研究以及改進建議較少。所以本文以冷卻風扇為研究對象，使用Fluent軟件進行數值計算，研究了海拔高度、扇葉安裝角對冷卻風扇質量流量和所需軸功率的影響，并給出了扇葉安裝角的改進建議。

1 計算模型

1.1 幾何模型

圖1為某冷卻風扇的三維模型，幾何參數如表1所示。結構參數中，扇葉安裝角改變，其它不變。

表1 冷卻風扇具體參數

圖1 冷卻風扇三維模型

1.2 流場模型

流場模型參考風洞試驗臺建立，主要分為兩部分組成，如圖2所示。第一部分為完全包裹風扇的旋轉域，設風扇進出口對流場的影響區域為進口40 mm、出口40 mm，則旋轉域總長為80 mm。第二部分為外流場域，目的是為了保證壓力的平穩過渡，整個流場區域內不會出現壓力值突變以及回流的情況。風扇流場模型的幾何參數如表2所示。

圖2 流場模型

表2 流場模型各區域幾何參數

1.3 流場網格劃分和無關性驗證

網格類型采用四面體，采用Tetrahedrons進行劃分，劃分算法采用Patch Conforming。對于外流場域，設置網格體尺寸為12 mm；對于旋轉域，將整體網格進行加密，設置網格尺寸為1 mm，如圖3所示。

圖3 旋轉域細化網格橫截面

由于采用了穩態模擬，所以對網格進行無關性驗證。不同網格劃分與計算結果如表3所示。當網格數量從1.15×106到4.25×106，冷卻風扇的功率變化不大，均在可接受的誤差范圍內，綜合考慮計算效率和計算精度，選用了2.52×106的網格數進行最終的計算。

表3 網格無關性驗證

1.4 數值計算方法設置

選用SIMPLE算法和Realizable湍流模型，近壁面處理采用標準壁面函數，控制方程采用二階迎風格式。由于使用穩態算法，故旋轉域采用Frame Motion，旋轉速度2300 r/min。由于風扇氣流出口與環境相通，故出口邊界條件選用表壓為0的pressure outlet（壓力出口）邊界條件。對于入口邊界條件，目前主要選用的邊界條件為pressure inlet（壓力入口）[4-5]和mass flow rate（質量流量入口）[6-7]。由于Fluent邊界條件選擇的原則是有利于計算的收斂，且本模型中的流場模型進出口均與大氣相通，故進口邊界條件選用表壓為0、絕壓為該海拔下的大氣壓的pressure inlet（壓力入口）邊界條件。

由于空氣黏度隨海拔高度變化不大，故空氣黏度設為常數。

不同海拔下的大氣壓力p的計算式[8]為：

式中：0為標準大氣壓力，Pa；為海拔高度，m，44 300、5.256為定值[8]。

不同海拔下的空氣密度H的計算式[9]為：

式中：0為標準狀態下空氣密度，kg/m3；為空氣溫度梯度，取值為0.0065 K/m；0為絕對溫度，值為273 K；4.26為定值[9]。

2 計算結果分析

2.1 海拔高度對流量和所需軸功率的影響

當安裝角一定時，在任何海拔高度下，風扇的速度三角都是一樣的，也就是說影響體積流量的主要因素沒有改變，所以在表4中體積流量相差不大。隨著海拔高度的上升，由于空氣密度下降，所以質量流量下降；同時由于質量的降低，在其他條件沒有改變的前提下，驅動氣體所需的作用力也減少了，所以所需軸功率下降。

表4 流量和功率隨海拔高度的變化（θ＝30°）

注：q為體積流量；q為質量流量；為軸功率，從Fluent軟件中讀取出扭矩T（N·m），采用＝T×/9.55計算得到。

我國海拔3 km以上的高原有250萬平方公里；川藏公路海拔3 km以上的路段有1245 km、占總里程的50%以上；新藏公路全線平均海拔4.5 km以上，海拔在4 km以上路段有915 km，約占總里程的78%，海拔5 km以上路段約占總里程的11%。從表4中可以看出，當海拔高度＝3 km時空氣密度、質量流量、所需軸功率分別為0海拔時的72.93%、68.67%、64.02%，而當海拔高度＝4 km時僅為65.27%、57.66%、53.57%。在這些廣闊地區工作的冷卻風扇，一方面，由于散熱量與風扇的質量流量正相關[10]，質量流量的下降將會帶來散熱能力的大幅下降，可能造成主機因此失效；另一方面，隨著海拔高度的上升，所需軸功率也將下降，輸入風扇的動力不能充分利用。

2.2 扇葉安裝角對質量流量及所需軸功率的影響

在同一海拔下，當扇葉安裝角增大時，扇葉的迎風面積增大，使得體積流量增大，進而質量流量增大；同時由于氣體與扇葉因撞擊產生的阻力增大，為克服阻力，冷卻風扇所需軸功率也隨扇葉安裝角的增加而增大。從圖4可以看出，隨著扇葉安裝角的增大，雖然風扇的質量流量和所需軸功率增大的速度不一樣，但是都有所增加。從前文可知，隨著海拔高度的上升，所需軸功率也將下降。所以增大扇葉安裝角可以在利用外部輸入功率的同時，增大風扇的質量流量，從而增大風扇的散熱能力。

2.3 不同海拔下的扇葉安裝角

針對本文幾何模型，對扇葉安裝角為30o、37.5o、45o、52.5o、60o的風扇所需軸功率，在0.0 km、1.0 km、2.0 km、2.5 km、3.0 km、3.5 km、4.0 km、5.0 km海拔條件下，進行了計算，得到數據如圖5所示，并做100 W橫線，與各條數據線有交點，交點橫坐標對應的角度值為該條數據線所在海拔高度下的扇葉安裝角。這種方法就是采用線性插值，以在各海拔下所需軸功率100 W為目標，得到各海拔下的扇葉安裝角，具體的扇葉安裝角數值如表5所示。

圖4 扇葉安裝角對所需軸功率和質量流量的影響（H＝0 km）

圖5 不同海拔高度下扇葉安裝角對所需功率影響

表5 不同海拔下的扇葉安裝角（100 W）

3 小結

（1）在高原環境下工作的冷卻風扇，由于空氣密度的下降，質量流量降低，所以散熱能力下降。冷卻風扇扇葉安裝角在一定范圍內增加，能夠在不增加動力源輸入的前提下，增加風扇的質量流量，提高風扇的散熱能力。

（2）首先計算在不同海拔高度下，不同扇葉安裝角的冷卻風扇所需軸功率；然后在保證所需功率不變的前提下，采用插值法，可以得到不同海拔高度下的風扇扇葉安裝角。

[1]王旭東，熊春華，魯長波，等. 高原環境下柴油機燃用聚醚型含氧燃料熱平衡試驗研究[J]. 兵工學報，2018，39（8）：1473-1478.

[2]劉建敏，康琦，王普凱，等. 高原環境下柴油機冷卻系統性能仿真[J]. 車用發動機，2018，（3）：22-28.

[3]李超，原梅妮，袁會靈，等. 扇葉安裝角對冷卻風扇性能影響的研究[J]. 中北大學學報（自然科學版），2019，40（5）：421-426.

[4]王天豪，吉華，李倩，等. 孔中心距對限流孔板壓降的影響[J]. 機械，2020，47（2）：59-63.

[5]黃棟，郭偉科，劉輝，等. 基于CFD的自冷高速電主軸風扇葉片性能研究[J]. 機械，2018，45（11）：37-41.

[6]王天宇，王霄，劉會霞，等. 發動機冷卻風扇性能的優化設計研究[J]. 機電工程，2015，32（6）：744-749.

[7]李虹. 小型軸流風扇內外部流場的數值研究[J]. 計算機工程與應用，2012，48（33）：228-232.

[8]劉岑，張成彥，錢則剛，等. DWT-70A型高原機車用無油壓縮機的研制[J]. 機電工程，2011，28（6）：675-678.

[9]白樹華，盧繼平. 西藏高原環境對風力發電的影響分析[J]. 電網技術，2006（30）：5-8.

[10]劉巍. 冷換設備工藝計算手冊[M]. 2版. 北京：中國石化出版社，2008.

Influence of Blade Installation Angle on Fan’s Cooling Ability at High Altitude

JI Hua1，LUO Hongying1，DUAN Zongxing2，YE Tongqi2，CHEN Zhi2

(1.School of Hydraulic and Civil Engineering, Tibet Agricultural and Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China; 2.School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

On the basis of a numerical model of cooling fan developed in Fluent, the influences of the altitude and the blade installation angle on the mass flow rate and the required shaft power of this cooling fan are studied. The mass flow rate of the cooling fan decreases because the air density decreases at high attitude, which causes the decrease of the cooling ability. On the other hand, the required shaft power of the cooling pan decreases, which impedes the full utilization of the input power because the output power of electrical machinery barely changes. The mass flow rate and the shaft power of the pan increase when the blade installation angle increases. Therefore, when the blade installation angle increases, the cooling ability of the pan can be enhanced at high altitude without the increase of the input power of the pan. Finally, the calculation method and example of blade installation angle at different altitudes are introduced.

high altitudes；blade installation angle of fan；shaft power；cooling ability

TH42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.10.010

1006-0316 (2022) 10-0062-05

2021-11-29

西藏自治區高層次人才引進項目（NYGCCRC-2022-01）

吉華（1972－），男，四川武勝人，博士研究生，副教授，主要研究方向為流體機械，E-mail：jimjee@163.com。