基于CFD數值仿真的工程機械冷卻風扇性能分析

劉佳鑫,王寶中,邢夢龍,秦四成,蔣炎坤,龍海洋

(1.華北理工大學機械工程學院,河北唐山 063009;2.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北武漢 430074; 3.吉林大學機械科學與工程學院,吉林長春 130022)

施工機械與管理

基于CFD數值仿真的工程機械冷卻風扇性能分析

劉佳鑫1,2,王寶中1,邢夢龍1,秦四成3,蔣炎坤2,龍海洋1

(1.華北理工大學機械工程學院,河北唐山 063009;2.華中科技大學能源與動力工程學院,湖北武漢 430074; 3.吉林大學機械科學與工程學院,吉林長春 130022)

為了提升冷卻風扇的性能,使流經散熱器空氣的流動狀態得到改善,基于國內某工程機械用冷卻風扇建立幾何模型,利用CFD數值仿真對冷卻風扇進行模擬.結果表明:原風扇仿真模型正確;孤立翼型法與合理的特征控制可用于風扇的幾何開發與建模;當體積流量達到10．24 m3·s－1時,新風扇全壓效率提升了約0．81%,軸功率降低了0．12 k W.

數值仿真;冷卻風扇;風扇設計;工程機械

0 引 言

冷卻風扇作為發動機冷卻系統的一個重要部件,在為動力艙創造空氣流動環境的同時,也為散熱器組提供充足的冷卻風.通過冷卻風扇控制空氣流量,可以合理地實現對冷卻液溫度的調控,保證各部件在合理的溫度區間,從而保持發動機高效率的工作狀態.由此可見,冷卻風扇性能直接影響著設備總體的性能和工作可靠性.

針對冷卻風扇性能,國內外專家學者已從冷卻風扇設計方法入手積極開展研究:上海理工大學王企鯤運用“等密流型”與“變密流型”2種設計方法進行扭葉片改型設計,并利用CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真對比兩者差異,且對2種設計方法作出了評價[1];劉全忠通過數值模擬,以汽輪發電機為研究對象,獲得了安裝角等參數與效率之間的關系,并對其展開性能優化[2];高紅霞等使用控制渦設計理論對直升機軸流風扇氣動性能進行改進提升;M Henner利用CFD數值模擬的方法,通過調整結構設計參數,實現對風扇性能的改進[3];Zhou Jianhui則采用理論設計與CFD仿真驗證相結合的方式對CPU冷卻風扇進行了重新設計[4].

基于以上已取得的研究成果,本文利用CFD數值仿真對用于某國內工程機械上的冷卻風扇進行性能分析,通過試驗數據驗證仿真模型;利用孤立翼型法對其重新設計,并對新風扇進行性能仿真,對比仿真結果,以確認性能改進和提升的有效性.

1 原風扇仿真與試驗驗證

1．1 風扇與風道三維模型

根據圖紙建立原風扇模型,如圖1所示.風扇直徑為780 mm;輪轂比為0.33;彎掠角為0°;輪轂直徑為260 mm;安裝角為26°;翼型為等厚度彎板.

圖1 原風扇模型

建立風道三維幾何模型,如圖2所示.風道采用圓形截面,直徑等于其風扇當量直徑,風道的入口長度為4倍當量直徑,出口長度為6倍當量直徑.在出口風道2～4倍風扇當量直徑處建立整流柵.

圖2 風道模型

1．2 網格劃分與邊界設定

利用Gambit對模型進行網格劃分與邊界設定.采用結構性網格對風扇表面進行網格劃分;對旋轉域內部以及進出口處使用結構性與非結構性網格進行網格混合加密,加密后無負網格和扭曲網格,如圖3所示.

圖3 網格模型

將風扇、風道表面、整流柵設定為wall;將風扇旋轉域與風道進出口公共面設定為interior;將風道進口設定為velocity-inlet;風道出口設定為pressure-outlet;將旋轉域以及進口風道、出口風道設定為fluid;風扇轉速為2 000 r·min－1;選用標準k-ε湍流模型[5-8].

1．3 結果分析與試驗驗證

圖4 原風扇進口處空氣狀態

如圖4所示,在原風扇空氣進口處,低壓區主要集中在風扇中上部分,呈階梯狀分布.這是由于扇葉掃掠過的區域空氣體積驟降,周圍的空氣無法迅速填充而造成的;隨后在壓差作用下,低壓區空氣體積不斷被填充,該區域逐步回升到環境壓強;隨著轉速的增加,空氣持續流通,階梯狀分布的低壓區逐漸變成環狀低壓區.

圖5(a)中,原風扇空氣出口端輪轂處出現較大的低壓區;高壓區則呈環狀分布在0．3倍葉高至葉尖之間,并在葉尖處壓強達到最大,這是風扇對氣流做功的結果.圖5(b)中,氣流在葉尖處流速最大,并由此逐漸向兩邊遞減;最低氣流速度出現在輪轂處,這種現象可能會導致回流的產生.

圖5 原風扇出口處空氣狀態

在風扇轉速一定的條件下,對7組不同流量值進行試驗仿真,在5倍當量直徑處提取全壓值,計算全壓效率,與試驗數據進行對比,繪制兩者全壓及全壓效率性能曲線,如圖6所示.從圖6(a)可以看出:當風量降低時,二者偏差逐漸增大,最大誤差為4.5%;當風量大于6 m3·s－1時,原風扇仿真值與試驗值逐漸趨于吻合,最大誤差約2.38%.從圖6(b)可以看出,隨著風量的增加,全壓效率都呈現出上升趨勢,且均在風量為10.24 m3·s－1時出現最大值,原風扇仿真值與試驗值最大相差約3%.

圖6 原風扇試驗與仿真性能對比

2 風扇設計與數值仿真

2．1 風扇設計

選用孤立翼型設計法對冷卻風扇進行設計.設計分為3個階段:選定設計參數、預備設計、正式設計.

(1)設計參數.參照原風扇性能和結構參數,設定全壓為550 Pa,體積流量為10．24 m3·s－1,新風扇采用Clark-y翼型.

(2)預備設計.預備設計計算如下

式中:Λ為葉尖流速系數;Va為通過葉輪的平均軸向速度;Ω為葉輪葉片的旋轉角速度;R為葉輪半徑;λb為葉片根部流速系數;Xb為輪轂比;εSb為根部旋流系數;Kth為理論全壓系數;CL為升力系數;δ為實度;βm為葉片根部合速度與軸向速度的夾角.

預備設計篩選依據為:流速系數不大于1．4,旋流系數不大于1,葉片根部載荷因子不大于1.

(3)正式設計.正式設計的計算如下

式中:n為葉片數;C為弦長;σ為實度比;r－為相對半徑;φ為安裝角;α為氣流攻角;Re為雷諾數;v為氣體動力黏度.

2．2 三維成型

依據理論設計,建立新風扇三維模型控制方程,即三維空間坐標轉換[9]

式中:r為柱坐標系下圓柱面半徑;α為翼型上對應在柱坐標上一點與圓柱截面圓心的連線與zoy平面之間的夾角;x、y、z分別為柱坐標系下各點坐標.

為擴大冷卻風扇的穩定工作范圍,提升其工作效率,采用周向前彎布局,如圖7所示.前彎角推導公式為[10]

式中:r－為圓弧上任意點相對半徑;θmax為葉尖重心處前彎角最大值;M為圓弧圓心橫坐標.

圖7 前彎角示意圖

依據以上控制方程建立新風扇模型,網格劃分、邊界設置與1．2相同,如圖8所示.

2．3 仿真結果分析

由圖9(a)壓強分布可知,相比原風扇,新風扇每片葉片的后端都出現了大范圍均勻分布的低壓區,貫穿整片葉片.由圖9(b)速度分布可以看出,新風扇最大速度出現在葉尖處,這是由導風罩對氣流的擠壓作用與葉尖處較高的線速度共同引起的;同時新風扇表現出較為明顯的梯度特征,隨著風扇的轉動,其梯度分布也趨于向風扇轉動方向移動.

圖8 新風扇三維模型

圖9 新風扇進口處空氣狀態

如圖10(a)所示,新風扇出口端低壓區分布較小;壓強最大值出現在葉片中上部,高壓區則均勻分布在大部分出口截面上.如圖10(b)所示,速度呈現出均勻環狀分布,最大速度出現在0．7倍葉高以上范圍內;由于輪轂處空氣無法流通,因此速度最小.

3 仿真結果對比

對原風扇和新風扇進行仿真性能對比,結果如圖11所示.由圖11(a)可以看出,隨著風量的增大,兩風扇仿真值吻合度逐漸提升.從圖11(b)可以看出,兩風扇全壓效率都呈現出上升趨勢,新風扇整體略高于原風扇,在體積流量達到10.24 m3·s－1時,新風扇較原風扇全壓效率提升了0．81%.在圖11(c)中,新風扇軸功率整體低于原風扇,當流量為10.24 m3·s－1時,新風扇比原風扇軸功率降低了0．12 k W.

圖10 新風扇出口處空氣狀態

圖11 風扇仿真性能對比

4 結 語

本文基于國內某工程機械用冷卻風扇,使用三維軟件建立原風扇幾何模型,利用CFD在虛擬風道中進行性能模擬,并將試驗數據與之進行對比;隨后,使用孤立翼型法重新設計,通過推導成型控制方程建立三維模型,在相同邊界下進行仿真,將兩風扇的仿真結果相對比,最終得到以下結論.

(1)與虛擬風道相結合的CFD數值仿真可用于模擬和預測冷卻風扇性能數據.

(2)孤立翼型法與翼型控制方程相結合,能更好地進行冷卻風扇設計與三維建模.

(3)在大部分的流量區間內,新風扇軸功率等性能參數均優于原風扇.當流量為10．24 m3·s－1時,新風扇全壓效率提升了0．81%,軸功率降低了0．12 k W,證明改進有效.

[1] 王企鯤,陳康民．軸流風扇兩種扭葉片設計方法及其氣動性能的比較[J]．流體機械,2010,38(9):24-30．

[2] 劉全忠,宮汝志,王洪杰,等．汽輪發電機冷卻風扇的數值模擬及優化[J]．哈爾濱工業大學學報,2010,42(3):442-445．

[3] 高紅霞,余建祖,謝永奇．直升機用高轉速、小流量軸流風扇設計[J]．航空動力學報,2006,21(1):119-124．

[4] JIANHUI Z,CHUNXIN Y．Design and Simulation of the CPU Fan and Heat Sinks[J]．IEEE Transactions on Components and Packing Technologies,2008,31(4):890-903．

[5] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．虛擬風洞下的車輛散熱器模塊性能改進[J]．吉林大學學報:工學版,2014,44(2):330-334．

[6] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．基于CFD仿真的車輛散熱器性能對比分析[J]．華南理工大學學報:自然科學版,2012,40 (5):24-29．

[7] 劉佳鑫,秦四成,徐振元,等．工程車輛散熱器模塊散熱性能數值仿真[J]．西南交通大學學報,2012,47(4):623-628．

[8] 劉佳鑫,秦四成,孔維康,等．虛擬風洞下車輛散熱器模塊傳熱性能數值仿真[J]．吉林大學學報:工學版,2012,42(4):834-839．

[9] 廖庚華,劉慶平,陳 坤,等．基于CATIA的軸流風機葉片仿生參數化建模[J]．吉林大學學報:工學版,2012,42(2):403-406．

[10] 劉佳鑫．工程機械散熱模塊傳熱性能研究[D]．長春:吉林大學,2013．

[責任編輯:杜衛華]

Analysis on Performance of Cooling Fan for Construction Machinery Based on CFD Numerical Simulation

LIU Jia-xin1,2,WANG Bao-zhong1,XING Meng-long1,QIN Si-cheng3, JIANG Yan-kun2,LONG Hai-yang1
(1．School of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009, Hebei,China;2．School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,Hubei,China;3．School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University,Changchun 130022,Jilin,China)

In order to increase the performance of the cooling fan so as to improve the air flow through the radiator,the geometric model was established based on the domestic cooling fan for construction machinery．The performance of the cooling fan was simulated by CFD numerical simulation．The results show that the original simulation model is correct;the isolated airfoil method and reasonable characteristic control can be used for geometric development and modeling of the fan;when the volume flow reaches 10．24 m3·s－1,full pressure efficiency of the new fan increases by about 0．81%,and shaft power reduces by 0．12 k W．

numerical simulation;cooling fan;fan design;construction machinery

U415．5

B

1000-033X(2017)05-0089-05

2016-12-15

國家科技支撐計劃項目(2013BAF07B04);唐山市重點汽車實驗室建設項目(12130201A-2)

劉佳鑫(1983-),男,吉林樺旬人,博士后,講師,研究方向為工程車輛節能降噪技術.