发动机环形冷却风扇结构与参数对气动性能影响的研究.docx

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1、发动机环形冷却风扇构造与参数对气动性能影响的争论上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲【摘 要】基于试验测试与计算流体动力学(CFD)分析的方法,争论发动机环形冷却风扇的构造与参数对其气动性能的影响.首先对一款环形风扇和一款开口风扇进展了气动性能试验,比照分析了两者气动性能的差异.然后建立了与试验状况全都的环形风扇气动性能的计算模型,计算分析了试验的环形风扇的气动性能,并与试验结果进展了比照分析,比照结果验证了模型的正确性.使用建立的模型,分析了环形风扇的圆环构造及尺寸参数对其气动性能的变化规律的影响.分析结果说明:环形风扇的圆环承受圆角构造可提高风扇的静压效率;圆环的相对轴向尺寸参数

2、对环形风扇的气动性能有较大的影响,每款环形风扇都有一个叶片开口率使风扇的静压效率到达最正确;而圆环的相对径向尺寸参数对环形风扇的静压效率影响较小.%Based on the experimental testing and computational fluid dynamics analysis, a study on the effect of structure and parameters of an engine annular cooling fan on its aerodynamic performance was carried out.Firstly, the measur

3、ements of aerodynamic performances of an annular fan and an ordinary fan were conducted respectively, and the performance difference between the two type of fans was analyged.According to the test conditions of aerodynamic performance of the annular fan, a calculation model was developed and used to

4、 calculate the aerodynamic performance of the tested annular fan, which was verified by comparing the measured and the calculated data.By using the calculation model, the influence of circular ring structure and dimension parameters of annular fan on its aerodynamic performance was analyged.Results

5、show that the fillet structure of annular fan”s circular ringcan improve the static pressure efficiency.The relative axial dimensionparameters of the circular ring have great influence on the aerodynamic performance of the annular fan, and each annular fan has a blade exposure rate to make the stati

6、c pressure efficiency achieve the best.However, the relative radial dimension parameters of the circular ring have little influence on the static pressure efficiency of the annular fan.【期刊名称】内燃机工程【年(卷),期】2023(038)001【总页数】7 页(P56-62)【关键词】内燃机;环形风扇;计算流体动力学;气动性能;风扇性能曲线【作 者】上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲【作者单位】华

7、南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;宁波雪龙集团股份,宁波 315806;宁波雪龙集团股份,宁波 315806;宁波雪龙集团股份,宁波 315806【正文语种】中 文【中图分类】TK414.2随着环保法规的日益严格和发动机性能的提高，对发动机冷却系统的要求越来越高。发动机冷却风扇作为发动机冷却系统的重要组成局部，其性能直接影响发动机的能 耗、排放与噪声。发动机冷却风扇可分为开口风扇和环形风扇。环形风扇由于制造 本钱高和构造简单，未能在发动机冷却系统中得到广泛使用；但是随着

8、发动机性能的强化，环形风扇由于具有高静压和低能耗的特性，越来越受到重视。在中重型商用车上，环形风扇的使用率不断提高。环形风扇叶尖局部通过圆环连接，在运行过程中可以削减风扇外端部的涡流回流损失，同时降低风扇非连续性空气摩擦及冲击损失，在提高风扇静压效率的同时也增加了风量，并可有效降低风扇的运转噪声1。目前发动机冷却风扇的争论主要针对开口风扇，风扇几何尺寸、叶片安装角、叶片数、轮毂比等众多因素影响着风扇的气动性能2-3。国内对于环形风扇性能上的争论甚少。国外的争论4-6说明：叶片上增加了叶尖小翼的开口风扇及由其演化得到的环形风扇能有效地削减叶尖的涡流强度，提高风扇静压效率和降低噪声。 本文建立了发

9、动机冷却环形风扇气动性能的 CFD 模型，计算分析了环形风扇的流量、静压、轴功率及静压效率等性能参数，并和试验结果进展比照分析，验证了本文中建模方法与计算方法的正确性。基于建立的仿真计算模型，争论了环形风扇的圆环构造、圆环相对轴向尺寸参数和相对径向尺寸参数对环形风扇气动性能的影响。本文的计算分析方法和结论对环形风扇的设计与选型具有参考意义。发动机冷却风扇的气动性能为流量与静压、轴功率和静压效率的关系，可以通过试验测试和计算分析的方法得到。1.1 冷却风扇气动性能试验对冷却风扇进展气动性能测试的试验台依据国家标准GB/T 12362023 工业通风机用标准化风道进展性能试验7建立，带有进口侧试验

10、管道，其构造示意图如图 1 所示。风扇气动性能试验台主要由进口侧管道、机械传动局部和试验掌握台三局部组成。管道的出口直接与大气相连。通过转变驱动电机的转速和流量加载板的过流面积， 可以得到风扇在不同转速下的性能曲线。试验台通过两个 U 型管压力计和转速、转矩传感器分别得到管道进口处的静压值 psi、管道监测面的静压值 ps0 和驱动电机的输出转矩值 T，通过这 3 个参数计算得出风扇的 4 共性能参数。1.1.1 风扇流量 q风扇流量是指单位时间内流过风扇出口截面的气体容积。在风扇气动性能试验中， 它等同于试验管道某一截面的流量，风扇流量可由试验台管道进口处的静压值求得的，公式7见式(1)。式

11、中， 为复合流量系数，对于试验中的锥形进口管道 0.96；d 为进口处的管道直径，m；psi 为管道进口处的静压值，Pa，由图 1 中 U 型管压力计测量得出； 为试验工况下的空气密度，kg/m3。1.1.2 风扇静压 ps气体在平直流道中流淌时，流道某一截面上的气体压力分为静压与动压，两者之和称为气体的全压。风扇全压是指风扇出口截面全压与进口截面全压的差值8，表示为：式中，下标 t、s 和 d 分别代表全压、静压和动压；下标 1 和 2 分别代表风扇进口和出口截面。风扇静压是指风扇全压与风扇出口截面动压之差8，表示为：由于风扇出口与大气相连，故风扇出口截面静压值为 p0=0 Pa；风扇进口截

12、面的全压由管道监测面静压 ps0(由图 1 中 U 型管压力计 1 测量获得)、监测面动压pd0 和监测面到风扇进口截面的管道压力损失值 p 计算得出。所以管道试验中的风扇静压 ps 表示为：式中，A0 为管道监测截面面积，m2。1.1.3 风扇轴功率 P风扇轴功率是指单位时间内驱动电机传递给风扇的能量，即风扇的输入功率，其公式为：式中，T 为驱动电机的输出转矩值，Nm；n 为风扇的转速，r/min。这两项数据均由图 1 中转速、转矩传感器测量得出。1.1.4 风扇静压效率风扇静压效率为风扇静压有效功率与风扇的输入功率的比值，计算公式为：1.2 试验模型的建立与计算1.2.1 试验模型的建立本

13、文选取了一款开口风扇和一款环形风扇分别在图 1 所示的试验台上进展了风扇气动性能试验。风扇的直径均为 760 mm，轮毂直径都为 290 mm，风扇的 8 个叶片为等间距分布，而且两款风扇的叶型参数根本全都。利用 UG 软件对环形风扇进展三维建模，并对风扇轮毂处做了简化处理。依据图 1 中试验台的构造，建立了管道流场模型，如图 2 所示。由于在 CFD 仿真过程中，进口流量可以依据实际状况任意设置，而且管道监测面的静压值可以直接猎取，因此在模型中未构建锥形进口和管道内的板栅构造；在风扇区域，建立大小适中的旋转流体区9-10；与大气相连的出口建立一个直径 4 m、长度 4 m 的圆柱管道，其中还

14、包含进出口平顺过渡的过渡区域。为提高计算精度和削减网格数量，旋转流体区及过渡区承受四周体网格，而进出口管道承受六面体网格进展划分。其中，环形风扇和过渡区的四周体网格与进出口区域的六面体网格，通过在 Fluent 软件中定义非全都网格边界， 使不同类型的网格得以结合，从而满足软件计算要求。1.2.2 模型参数的设置由于多重参考系法(MRF)是稳态算法，占用计算资源较少且精度满足工程要求，故利用 Fluent 软件的 MRF 法进展风扇气动性能的计算10-12。由于风扇性能试验中用流量加载板转变管道的通过流量，所以在仿真模型中进口平面设为质量流量进口边界，在该边界上可转变模型的质量流量；出口平面设

15、为压力出口边界；静压监测面设为内部边界；风扇外表设为旋转壁面边界，并依据使用状况设定转速为 1500 r/min；其余外表设为静止壁面边界。由于模型内的流体运动属于湍流运动，且属于低速流淌范畴(马赫数小于 0.3)，故将流场内空气视为不行压缩介质；压力-速度的耦合方程组承受 SIMPLE 算法；湍流模型选择 RNG k- 模型；近壁区域采用壁面函数法进展处理；求解器设置为分别式求解 13。当进出口流量差小于 0.5% 时，认为计算收敛。1.2.3 网格无关性检验对于稳态数值问题，需要进展网格无关性检验。使用表 1 所示的 3 种网格划分方案对环形风扇进展计算。计算风扇在入口流量为 3.04 m

16、3/s 下的静压和轴功率，3 种方案的计算结果相差在 2%以内。为削减计算量，本文选择网格数较少的划分方案 1。1.3 计算结果与模型验证风扇在低流量区，内部湍流较强，流场不稳定性大，用 MRF 稳态算法计算难以收敛，而且风扇在车辆上的实际运行工况很少落在低流量区，故只选取风扇稳定工况下的中高流量区的数据，计算值与试验值的比照方图 3 所示。由图 3 可见，随着流量的增大，冷却风扇的静压不断减小，功率变化较小，而静压效领先增大后减小。从开口风扇和环形风扇气动性能比照中可以觉察，环形风扇的静压效率总是大于开口风扇的静压效率，而且随着流量的增大，两者的静压效率差值增大。从环形风扇 CFD 模型的计

17、算数据可以看出，静压、轴功率和静压效率的计算值和试验值吻合度较好，误差都在 10%以内，由此验证了模型的正确性， 可利用来推测风扇的气动性能。2.1 环形风扇构造与参数的定义2.1.1 环形风扇的构造环形风扇与开口风扇的区分在于增加了圆环构造，一般环形风扇的圆环构造直接与风扇叶尖局部连接，如图 4 所示。图 5 为 3 种不同圆环构造的环形风扇的半剖视图。其中，圆环前后端面依据风扇气流方向加以定义。环形风扇的圆环构造可以分为无圆角构造(构造 3)与有圆角构造，而有圆角构造又按圆角在圆环的不同位置分为前端面(气流上游端)圆角构造(构造 2)和后端面(气流下游端)圆角构造(构造 1)。2.1.2

18、环形风扇的参数图 6 为环形风扇参数示意图。环形风扇一般是在相应的开口风扇上添加圆环构造而成的，对于环形风扇的圆环而言，它有 3 个尺寸参数，分别为圆环宽度 W、圆环外径 D 和圆环厚度 。就整个环形风扇而言，风扇直径 Df、风扇宽度 Wf 和叶片投影宽度 Wb 是另外 3 个重要的尺寸参数。由于环形风扇装配到发动机上需要与护风罩协作安装，所以环形风扇的圆环前端面到叶片前缘之间要预留肯定的距离， 这一距离是由风扇的安装尺寸来确定的，一般为固定值，因此圆环宽度的变化由圆 环后端面的位置加以确定。本文将圆环后端面到叶片后缘的距离称为叶片轴向外伸长度 La(图 6(b)，La=Wf- W，它确定了圆

19、环的轴向尺寸；将它与叶片投影宽度的比值 La/Wb 定义为叶片开口率 i。本文中定义 La 和 i 分别为圆环的相对轴向尺寸参数。此外，为了争论环形风扇圆环径向尺寸对风扇气动性能的影响，将圆环外径到叶尖的径向距离称为叶片径向外伸长度 Lr(图 6(a)，即 Lr=(Df-D)/2，它确定了圆环的径向尺寸，定义 Lr 为圆环的相对径向尺寸参数。2.2 圆环构造对环形风扇气动性能的影响本文分别对图 5 中的 3 种不同圆环构造的环形风扇进展争论。试验的环形风扇在圆环后端面有圆角构造(图 5 中的构造 1)，而构造 2 为圆环前端面有小圆角构造。对于同始终径的环形风扇而言，构造 1 与构造 2 的叶

20、片有效通流面积均比构造3(圆环无圆角)的小。通过 CFD 计算了这 3 种圆环构造在同始终径下的环形风扇的气动性能，如图 7 所示。由图 7 可见：在同一流量下，构造 1 的环形风扇静压最高，构造 2 的环形风扇具有最低静压和轴功率消耗。在轴功率方面，在各流量下构造 3 的圆环无圆角环形风扇均高于圆环有圆角构造的环形风扇。对于静压效率，圆环有圆角构造的环形风扇更优。环形风扇在圆环增加圆角构造相当于为风扇增加了一个气流过渡的区域： 一方面，气流在通过圆角时，平顺的气流会削减沿程流淌损失，使风扇流量增加； 另一方面，对于外径一样的环形风扇，圆角构造的存在意味着叶片有效通流面积的减小，因此适宜的圆角

21、大小可以使风扇的流量到达最优。构造 1 的大圆角圆环结构在削减较小局部叶片面积的状况下增加了风扇的流量，而构造 2 的小圆角圆环构造去除了较大的叶片面积使风扇整体流量降低，但平顺的气流使风扇消耗的功率更少，因此有圆角构造的环形风扇的静压效率得到提高。2.3 圆环相对轴向尺寸参数对风扇气动性能的影响环形风扇的叶片轴向外伸长度 La 和叶片开口率 i 为圆环的相对轴向尺寸参数。本文分别对 6 个不同叶片开口率的环形风扇进展争论。为了简化三维造型，以试验的环形风扇为原型，承受图 5 中构造 3 的圆环无圆角构造进展 CFD 计算。计算结果见图 8。由图 8 可见：在同一流量下，当叶片开口率小于 41

22、.6%时，环形风扇的静压和轴功率消耗根本随着叶片开口率的增大而增大；而当叶片开口率大于 50%时，环形风扇的静压和轴功率消耗就随着叶片开口率的增大而减小；从流量-静压效率曲线来看，这款环形风扇的静压效率在叶片开口率为 50%时到达最正确，与叶片开口率为 0 的同款风扇相比静压效率提高约 10%。图 9图 12 为两种叶片开口率的环形风扇外表气流速度矢量图和气流速度流线图。如图 9 和图 10 所示，当环形风扇的叶片开口率较小时，圆环内外表产生大量高速回流，其中速度的最高值消灭在叶片前缘四周区域。这主要是由于叶片压力面产生 的离心气流被圆环所阻挡，气流被迫沿着圆环内外表往气流上游方向流淌，减弱进

23、 气气流的强度。如图 11 和图 12 所示，当环形风扇的叶片开口率较大时，圆环内外表的气流根本沿着风扇的旋转方向流淌，但叶片压力面的离心气流绕过圆环，从其外外表形成回流。所以叶片开口率过大或过小产生的高强度回流都会降低风扇的静压效率，只有当叶片开口率在某一适当值时，圆环内外外表的回流强度到达最小值，环形风扇的静压效率才会到达最高。2.4 圆环相对径向尺寸参数对风扇气动性能的影响环形风扇的叶片径向外伸长度 Lr 为圆环的相对径向尺寸参数。在上文的争论根底上，以叶片开口率为 50%的环形风扇为原型，圆环承受无圆角构造，分别对 4 种不同叶片径向外伸长度(Lr=0、10、20、30 mm)的环形风

24、扇进展 CFD 计算。计算结果如图 13 所示。由图 13 可见：在同一流量下，随着叶片外伸长度 Lr 的增大，环形风扇的静压和轴功率都呈现下降的趋势。从流量-静压效率曲线来看，高流量区的静压效率也随着 Lr 的增大而减小；而在中低流量区，静压效率随着 Lr 的增大并没有消灭明显的变化。综上，环形风扇的叶片径向外伸长度对风扇的静压效率影响较小。当叶片径向外伸长度相对于圆环直径较小时，环形风扇在圆环内的气流是风扇的主要流量， 在风扇其他参数不变的状况下，圆环直径越小，风扇的通流面积就越小。因此，依据风扇相像定律2，风扇在一样的流量下，环形风扇的静压和轴功率消耗都随着圆环直径的削减而削减，但静压效

25、率不变。本争论中，高流量下静压效率的降低是由径向外伸叶片处产生的不稳定气流引起的。(1) 测试了一款环形冷却风扇和一款开口冷却风扇的气动性能，比照分析了两者性能的差异；建立了与试验状况全都的环形风扇气动性能的计算模型，计算分析了试验的环形风扇的气动性能，并与试验结果进展了比照分析，比照结果验证了模型的正确性。(2) 环形风扇的圆环承受圆角构造，可以让气流更为平顺地通过风扇区域，从而使环形风扇的静压效率得到提高。(3) 环形风扇的叶片开口率对风扇的气动性能有较明显的影响，而环形风扇的叶片径向外伸长度对风扇的静压效率影响较小。叶片开口率过小或过大均会使环形风扇产生强度较高的回流，从而降低风扇的静压

26、效率。每款环形风扇都对应一个叶片开口率使风扇的静压效率到达最大。本文争论的环形风扇气动性能，在叶片开口率为50%时到达最正确。【相关文献】1 张仁.环形风扇的选型及在发动机上的布置设计要点J.柴油机设计与制造，2023，14(2)： 55-56.2 BLEIER F P. Fan handbook：selection， application， and designM. New York ： McGraw-Hill，1997.3 耿丽珍，袁兆成，李传兵，等.轿车发动机冷却风扇 CFD 仿真分析及降噪争论J.汽车工程， 2023，31(7)：664-668. GENG L Z， YUAN Z C

27、， LI C B， et al. A study on CFD simulation analysis and noise reduction for the cooling fan of car engineJ. Automotive Engineering， 2023，31(7)：664-668.4 NASHIMOTO A， AKUTO T， NAGASE Y， et al. Aerodynamic noise reduction by use of a cooling fan with wingletsC/SAE Paper. Detroit ，Michigan，USA，2023，202

28、3-01- 0531.5 NASHIMOTO A， FUJISAWA N， AKUTO T， et al. Measurements of aerodynamicnoise and wake flow field in a cooling fan with wingletsJ. Journal of Visualization，2023， 7(1)：85-92.6 HIDETAKE O， KATAYAMA Y， OSAWA Y. Development of high efficient radiator cooling fan for automotive applicationC/SAE

29、Paper. Detroit ，Michigan，USA，2023， 2023-01-1293.7 全国风机标准化委员会工业通风机用标准化风道进展性能试验： GB/T 12362023S.北京： 中国标准出版社，2023.8 昌泽舟.轴流式通风机有用技术M.北京：机械工业出版社，2023.9 WANG A， XIAO Z H， GHAZIALAM H. Evaluation of the multiple reference frame (MRF) model in a truck fan simulationC/SAE Paper. Detroit ，Michigan，USA，2023， 2

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