電動汽車空調系統的風扇結構優化與噪聲控制研究

一、電動汽車空調系統的風扇模型構建

本文針對一款典型的電動汽車空調系統的五葉片風扇進行結構優化與噪聲控制研究[1]。風扇的實物模型如圖1（a）所示，風扇外徑為200毫米，輪轂直徑為60毫米，風扇側面長度為43毫米，葉片傾角為30度。由于對曲面傾斜的風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扇葉片表面進行全方位的掃描[2]。掃描的葉片結構以點云文件構成葉片面，選取葉片的所有網格點進行處理。利用AutoSkin功能自動修復每個葉片的形狀[3]，再經過SkinSurface手動處理未修補部分，由此建立電動汽車空調系統的風扇仿真模型，如圖1（b）所示。

二、電動汽車空調系統的風扇結構優化

根據流體力學理論[4]，空調系統風扇周圍氣流的不穩定波與葉片相互作用形成的反饋回路是產生渦流噪聲的主要原因。因此，本文在電動汽車空調系統的原風扇葉片結構（如圖2a）基礎上，優化設計了鋸齒狀風扇葉片結構（如圖2b），即將風扇葉片的尾緣部分切割成鋸齒形結構。由于風扇葉片邊沿具有弧度結構，因此將鋸齒設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。這種鋸齒狀結構有助于打破風扇葉片尾緣的大規模渦流，進而有助于控制渦流噪聲的傳播效率。

三、電動汽車空調系統的風扇流場和聲場仿真

運用計算流體力學方法對電動汽車空調系統風扇周圍的流場和聲場進行數值仿真。由于風扇葉片的結構較為復雜，因此選擇非結構化網格進行劃分網格。為了模擬風扇旋轉產生的流場，利用Fluent軟件作為計算風扇周圍流場的求解器。由于風扇旋轉產生的流場較為復雜，氣流通常呈現湍流分布特性，因此選用Realizable k-ε 湍流模型進行數值仿真[5-6]。將整個計算區域劃分為靜區域和風扇旋轉的動區域，動靜區域之間選用多重參考系模型進行耦合。

為了求解風扇旋轉產生的噪聲，采用大渦模擬方法進行非定常條件下的流場求解。通過大渦模擬方法計算得到風扇葉片表面的壓力脈動，利用瞬態條件下的FW-H聲學模型將這些壓力脈動轉化為監測點聲壓級大小[7]。計算風扇旋轉十圈后的狀態作為流場和聲場的最終值。

四、風扇流場特性分析

（a）原風扇表面的壓強分布；（b）優化風扇表面的壓強分布。

（a）原風扇周圍的速度分布；（b）優化風扇周圍的速度分布。

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

五、風扇聲場特性分析

運用計算流體力學方法，結合FW-H聲學模型，對電動汽車空調系統的風扇旋轉產生的聲場進行數值仿真，得到原風扇結構和優化風扇結構的噪聲聲壓級、降噪量、降噪率以及降噪效果頻譜圖。在轉速為1323轉/每分鐘的條件下，計算得到原風扇旋轉產生的噪聲約為53.78分貝。在相同的轉速條件下，計算得到具有鋸齒結構的風扇旋轉產生的噪聲顯著降低，它由原風扇的約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：與原風扇結構相比，鋸齒形風扇結構具有更好的降噪能力。主要原因在于：鋸齒形風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。鋸齒形風扇葉片有助于打破葉片尾緣的渦流，使渦流分離點更加分散，減少了大規模渦流的形成，因此可以顯著降低空調系統風扇旋轉產生的噪聲。

六、結語

電動汽車的空調系統在車輛性能和能效方面起著關鍵作用。優化設計空調系統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，優化設計空調系統的風扇結構對于提高空調系統效率、降低噪聲水平和增強用車體驗至關重要。本文優化設計了一款電動汽車空調系統的鋸齒形風扇葉片結構，利用計算流體力學方法對風扇周圍的流場和聲場進行數值仿真與分析，研究結果有助于為電動汽車空調系統的噪聲控制提供新的設計思路，且為未來低噪高性能電動汽車空調系統的開發和設計提供科學依據。

參考文獻：

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[6]鄭旭倉，劉興龍，毛瑜，陳運東.空調外機軸流風扇渦流噪聲控制設計研究.家電科技，2024，2（427）：18-22.

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