基于STAR-CCM＋的發動機冷卻風扇CFD仿真分析

孟慶林，尹明德，朱朝霞

（南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016）

0 引言

發動機冷卻風扇的主要作用是加快空氣的流動，加速冷卻劑的冷卻效果。風扇靜壓和質量流率是冷卻風扇的重要性能參數，因此，為滿足冷卻系統的散熱量要求，冷卻風扇在相應的壓力和轉速下應有足夠的空氣質量流率。本文以實際使用中的某車型發動機冷卻風扇為研究對象，其基本性能要求是：在環境溫度為30℃±10℃、工作轉速為2 000r/min情況下，風扇靜壓為75Pa時，風扇的風量為0.96kg/s。基于此，利用STAR-CCM＋分析軟件對冷卻風扇進行性能模擬，以分析風扇運行的性能參數以及噪聲的影響因素［1－3］。

1 系統建模

1.1 風扇3D模型的建立

在對仿真分析結果影響不大的情況下，為了減少計算工作量，將風扇輪轂上的孔洞簡化為實體，用Pro/E建模軟件建立的風扇三維模型如圖1所示。把該模型以.step格式導入到Hypermesh前處理軟件中進行面網格劃分，然后導出面網格模型，以.stl格式存盤，以便進行后續處理。

1.2 流場仿真模型的創建

考慮到通流區內的流場特性以及為方便以后的網格劃分，將仿真模型分為進口區、出口區、旋轉流體區和管道區四個區域［4］。根據風扇性能實驗要求，設置入口區長度不小于入口管道直徑的6倍，出口區長度不小于出口管道直徑的10倍［5］；為了盡量減小分析誤差，旋轉流體區交界面半徑應盡可能地接近風扇旋轉半徑；旋轉流體區與管道區的半徑差為4mm，和實際應用中風圈與風扇旋轉半徑差相等。各區域幾何參數如表1所示，建立的仿真模型如圖2和圖3所示。

圖1 風扇三維實體模型

表1 仿真模型區域幾何參數

圖2 通流區模型

1.3 網格劃分

利用STAR-CCM＋軟件的網格劃分優勢，對仿真模型分區域單獨劃分網格，并對模型進行局部加密，所有區域均使用切割體（Trimmer）網格劃分方式，并保證網格劃分的質量和數量，以便得到更為精確的分析結果。由于進、出口非加密區域流場變化比較平穩，因此此區域網格間距最大，旋轉流體區和管道區內流場復雜以及壓力場變化劇烈，所以此區域網格間距最小。最終得到的網格劃分模型參數見表2，模型如圖4和圖5所示。

圖3 旋轉流體區模型

表2 網格模型參數

圖4 通流區網格圖

圖5 旋轉流體區網格圖

2 仿真模型選擇與參數設置

2.1 設定邊界條件

在此分析模型中，假定空氣為理想氣體，因此只需設定氣體的絕對溫度以及相對大氣壓的相對壓力，由理想氣體狀態方程，便可得到氣體密度。起初由于不知道進口處的空氣流速，故將進口區的進口面設為“Stagnation inlet”條件；因出口區直接與大氣相連，故將出口區出口面設為“Pressure outlet”條件；其他壁面設為“Wall”條件。并設置旋轉流體區與管道區以及管道區與進、出口之間的交界面（Interface）。

2.2 風扇旋轉模型

對于風扇的模擬，STAR-CCM＋提供了簡單可靠的模擬方法，即MRF模型（Multiple reference frame），又稱多參考坐標系方法，即風扇運動所引起的動量源效果被定義為相對于風扇軸具有給定轉速的一個轉動慣量。在模擬計算中只需設定其運動的相對坐標系（圓柱坐標系）和角速度，本文將旋轉流體區的旋轉速度設置為2 000r/min，旋轉方向為y軸正方向，這樣風扇本身不需要旋轉（即無需網格運動），就可以模擬旋轉的效果。

2.3 流場仿真模型的設定

發動機冷卻風扇的流場屬于低馬赫數流動，所以可以認為空氣為不可壓縮的理想氣體；內部流動為穩態流動，采用定常計算，忽略重力影響。采用Coupled耦合隱式求解器，動量方程、湍流動能、湍流耗散項均采用二階迎風格式離散；綜合考慮求解精度和計算量，SIMPLE算法更適合作為發動機冷卻風扇的氣動性能計算的速度壓力耦合算法；靠近風扇附近流場的流線高度旋轉，彎曲程度大，選擇RNGκ－ε湍流模型。本模型將收斂準則定為連續（Continuity），監測項殘差小于1×10－4，并建立了出口區y＝3m截面處的空氣質量流率監測面。

3 流場計算仿真及結果分析

3.1 仿真結果

通過CFD仿真分析可以得到豐富的流場內部特征，這些信息可以幫助研究風扇運行的機理，改進風扇的性能。要判斷仿真模型的準確性，需要對這些流場特性進行分析，研究其是否能夠反映流場的實際情況，可以從速度矢量、流線、壓力場等三個方面對流場特征進行分析。流場仿真經過1 912迭代步后結果收斂，流場殘差曲線如圖6所示。監測面的質量流率為0.981 2kg/s，監測面的質量流率隨迭代次數的變化如圖7所示。

圖6 流場殘差曲線圖

圖7 監測面質量流率收斂曲線

圖8為x＝0與z＝0截面速度矢量圖。從圖8可以看出：進口區氣流在經過風扇后有較為明顯的加速；并且沿出口區軸線形成一個圓錐形的低速區，該區域速度遠小于外圍氣流速度，一方面是因為風扇輪轂部分擋住了進口區的來流空氣，在出口區靠近輪轂處形成了一個局部負壓區所造成的，另一方面是因為靠近風扇處的出口氣流在風扇離心力的作用下向外離散所致。沿著低、高速區域的圓錐形交界面上會形成巨大的渦流區，越靠近風扇區域，氣流的湍流運動越充分，所引起的渦流區域就會越大；在遠離風扇區域，隨著湍流運動的削弱，渦流區逐漸變小甚至消失。隨著大尺度渦的破裂以及渦流與風扇之間的相互作用，就會產生渦流噪聲，所以沿著圓錐形交界面處是產生風扇噪聲的主要區域。圖9為葉片壁面上的速度矢量圖，同實際情況相對比可知仿真模型的正確性。

圖8 x＝0與z＝0截面速度矢量圖

圖9 葉片壁面上的速度矢量圖

圖10為通流區流線圖。從圖10可知，氣流在進口區基本上是層流運動，但經過風扇的作用之后，出口氣流呈螺旋狀向外流動。圖11為x＝0截面壓力云圖。從圖11可以看出，在管道區出口處形成一沿軸線分布的呈圓錐狀負壓區，這是形成出口區低速區的原因之一，也是產生風扇噪聲的主要原因之一。圖12為風扇吸力面壓力云圖，圖13為風扇壓力面壓力云圖。由圖12、圖13可以看出，葉片壓力面后緣處的壓力遠小于其他區域，而吸力面上剛好相反，該區域的壓力遠大于其他區域，這些壓力變化劇烈的區域，也是風扇重要的噪聲源。

3.2 仿真結果與性能要求對比

在轉速為2 000r/min的情況下，在計算收斂后，出口區監測面的質量流率為0.981 2kg/s，大于風扇的出廠標定試驗流率0.96kg/s，滿足風扇要求，且二者誤差僅為2.2%，小于5%的誤差標準。監測冷卻風扇某一葉片壓力面的壓力云圖如圖14所示。從圖14可以看出，葉片壓力面高壓區域的壓力值在75Pa左右，符合風扇出廠性能要求。上述分析表明：冷卻風扇的性能仿真數據與出廠標定數據的誤差較小，從而說明了仿真模型的準確性和仿真分析結果的可信性。

圖10 通流區流線圖

圖11 x＝0截面壓力云圖

圖12 風扇吸力面壓力云圖

圖13 風扇壓力面壓力云圖

4 結語

本文采用STAR-CCM＋軟件建立風扇臺架試驗的CFD仿真模型。通過將仿真結果與風扇性能要求對比，得出誤差在可接受范圍之內，從而證明了風扇的CFD建模與仿真分析結果的可靠性。

圖14 風扇葉片壓力面壓力云圖

［1］Coggiola E.CFD based design for automotive engine cooling fan system［J］.SAE Paper，980427.

［2］王榮.汽車發動機冷卻風扇的CFD分析與優化設計［D］.西安：西安理工大學，2011：30-35.

［3］肖林紅，石月奎，王海洋，等.大型車輛冷卻風扇數值模擬的研究［J］.汽車工程，2011（7）：636-640.

［4］耿麗珍，袁兆成.轎車發動機冷卻風扇CFD仿真分析及降噪研究［J］.汽車工程，2009（7）：664-668.

［5］曹蘊濤.重型汽車發動機冷卻風扇性能的CFD分析及優化［D］.長春：吉林大學，2009：36-40.