電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化與噪聲控制研究

一、電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇模型構(gòu)建

本文針對一款典型的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的五葉片風(fēng)扇進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與噪聲控制研究[1]。風(fēng)扇的實(shí)物模型如圖1（a）所示，風(fēng)扇外徑為200毫米，輪轂直徑為60毫米，風(fēng)扇側(cè)面長度為43毫米，葉片傾角為30度。由于對曲面傾斜的風(fēng)扇葉片繪制難度較大且誤差較大，因此采用三維掃描儀對風(fēng)扇葉片表面進(jìn)行全方位的掃描[2]。掃描的葉片結(jié)構(gòu)以點(diǎn)云文件構(gòu)成葉片面，選取葉片的所有網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行處理。利用AutoSkin功能自動修復(fù)每個葉片的形狀[3]，再經(jīng)過SkinSurface手動處理未修補(bǔ)部分，由此建立電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇仿真模型，如圖1（b）所示。

二、電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)流體力學(xué)理論[4]，空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)扇周圍氣流的不穩(wěn)定波與葉片相互作用形成的反饋回路是產(chǎn)生渦流噪聲的主要原因。因此，本文在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的原風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)（如圖2a）基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了鋸齒狀風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)（如圖2b），即將風(fēng)扇葉片的尾緣部分切割成鋸齒形結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)扇葉片邊沿具有弧度結(jié)構(gòu)，因此將鋸齒設(shè)置為合適的高度與角度，其中鋸齒的底長為8毫米，鋸齒的角度為65度。這種鋸齒狀結(jié)構(gòu)有助于打破風(fēng)扇葉片尾緣的大規(guī)模渦流，進(jìn)而有助于控制渦流噪聲的傳播效率。

三、電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇流場和聲場仿真

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)扇周圍的流場和聲場進(jìn)行數(shù)值仿真。由于風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分網(wǎng)格。為了模擬風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流場，利用Fluent軟件作為計(jì)算風(fēng)扇周圍流場的求解器。由于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流場較為復(fù)雜，氣流通常呈現(xiàn)湍流分布特性，因此選用Realizable k-ε 湍流模型進(jìn)行數(shù)值仿真[5-6]。將整個計(jì)算區(qū)域劃分為靜區(qū)域和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的動區(qū)域，動靜區(qū)域之間選用多重參考系模型進(jìn)行耦合。

為了求解風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，采用大渦模擬方法進(jìn)行非定常條件下的流場求解。通過大渦模擬方法計(jì)算得到風(fēng)扇葉片表面的壓力脈動，利用瞬態(tài)條件下的FW-H聲學(xué)模型將這些壓力脈動轉(zhuǎn)化為監(jiān)測點(diǎn)聲壓級大小[7]。計(jì)算風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)十圈后的狀態(tài)作為流場和聲場的最終值。

四、風(fēng)扇流場特性分析

（a）原風(fēng)扇表面的壓強(qiáng)分布；（b）優(yōu)化風(fēng)扇表面的壓強(qiáng)分布。

（a）原風(fēng)扇周圍的速度分布；（b）優(yōu)化風(fēng)扇周圍的速度分布。

通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真，計(jì)算得到電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的原風(fēng)扇和優(yōu)化風(fēng)扇表面的速度場分布和壓強(qiáng)場分布。由圖3（a）和圖4（a）可知：原風(fēng)扇表面的壓強(qiáng)分布很不均勻，靠近葉片邊緣區(qū)域的壓強(qiáng)最大，而葉片支撐部分與輪轂區(qū)域的壓力比較平均，風(fēng)扇表面的氣流存在顯著的速度和壓力梯度，這種不均勻性會導(dǎo)致局部的高速氣流和渦流產(chǎn)生。特別是在壓力差較大的區(qū)域，壓力的波動將引起渦流噪聲。由圖3（b）和圖4（b）可知：優(yōu)化后的鋸齒形風(fēng)扇葉片表面的壓強(qiáng)差有較大改變，鋸齒形葉片尾緣部分對渦流進(jìn)行破壞，打亂原有渦流形態(tài)，將大渦團(tuán)分解為小渦團(tuán)，從而使得湍流分布更加均勻。這證明電動汽車空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)扇的鋸齒形結(jié)構(gòu)具有改善風(fēng)扇葉片表面的湍流分布特性的作用。

五、風(fēng)扇聲場特性分析

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法，結(jié)合FW-H聲學(xué)模型，對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲場進(jìn)行數(shù)值仿真，得到原風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和優(yōu)化風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的噪聲聲壓級、降噪量、降噪率以及降噪效果頻譜圖。在轉(zhuǎn)速為1323轉(zhuǎn)/每分鐘的條件下，計(jì)算得到原風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲約為53.78分貝。在相同的轉(zhuǎn)速條件下，計(jì)算得到具有鋸齒結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲顯著降低，它由原風(fēng)扇的約53.78分貝降低至約51.81分貝，降噪量為1.97分貝，降噪率約為 4% 。由此可知：與原風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相比，鋸齒形風(fēng)扇結(jié)構(gòu)具有更好的降噪能力。主要原因在于：鋸齒形風(fēng)扇葉片的方向與氣流的方向角度在鋸齒中線位置更為平行，導(dǎo)致湍流被葉片阻礙的情況減少，噪聲傳播變得更加困難。此外。鋸齒形風(fēng)扇葉片有助于打破葉片尾緣的渦流，使渦流分離點(diǎn)更加分散，減少了大規(guī)模渦流的形成，因此可以顯著降低空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。

六、結(jié)語

電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)在車輛性能和能效方面起著關(guān)鍵作用。優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)可以提高電動汽車的性能、延長電池壽命、增加能效并降低能耗。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)對于提高空調(diào)系統(tǒng)效率、降低噪聲水平和增強(qiáng)用車體驗(yàn)至關(guān)重要。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的鋸齒形風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算流體力學(xué)方法對風(fēng)扇周圍的流場和聲場進(jìn)行數(shù)值仿真與分析，研究結(jié)果有助于為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的噪聲控制提供新的設(shè)計(jì)思路，且為未來低噪高性能電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

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