風扇矩陣對冷卻模塊空氣側流場的影響

王宏朝+單希壯+楊志剛

摘要： 基于傳統乘用車的單風扇系統，提出5種風扇矩陣形式，利用數值模擬技術分析不同矩陣形式對冷卻模塊空氣側流場的影響，結果表明：隨著風扇數目的增加，冷卻模塊表面的速度均勻度皆表現出先減小后增大的變化趨勢；N=4的風扇矩陣的速度分布均勻性最差，對應通過散熱器的空氣流量亦最小； N=15的風扇矩陣能夠顯著提升通過散熱器的空氣流量，相比原單風扇系統，空氣流量提升15.6%。因此，在不降低散熱器空氣側換熱能力的前提下，采用該風扇矩陣形式能夠使冷卻系統的能耗降低，提高整車燃油經濟性。采用風扇矩陣形式能夠減少冷凝器前端的熱回流區域，從而降低冷凝器迎風面的平均溫度。

關鍵詞： 數值模擬； 風扇矩陣； 冷卻模塊； 空氣側流場； 能耗

中圖分類號： U464.1384 文獻標志碼： B

Effect of fan configuration on air-side flowfield of cooling module

WANG Hongchao， SHAN Xizhuang， YANG Zhigang

（Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： Based on the single fan configuration of a traditional passenger car， five kinds of different fan configuration are presented， and the analysis on the effection of different fan configuration on the air-side flow field are carried out using numerical simulation technique. The results show that： with the increased number of fans， the velocity uniformity on the surface of cooling module firstly decrease and then increase， especially， the velocity uniformity of fan configuration of N=4 is the worst， and the air mass flow through the radiator is also minimal； however， when N=15， the air mass flow through the radiator is significantly increased by 15.6% compared to the original single fan system. On the premise that the heat transfer capability of the radiator is not decreased， the power consumption of cooling system can be reduced， the fuel economy can be improved. Furthermore， the fan configuration can effectively suppress the hot-recirculation on the front of condenser， so the average temperature on windward surface of condenser can be reduced.

Key words： numerical simulation； fan configuration； cooling module； air-side flow field； power consumption

0 引 言

日趨嚴格的排放法規以及不斷攀升的油價，使得乘用車發動機艙熱管理逐漸成為各整車廠以及研究機構關注的重點。[1]與此同時，車身造型趨勢的變化、高性能發動機的普及，以及新技術（增壓中冷、廢氣再循環等）的應用也為發動機艙熱管理提出新的需求。在燃燒過程中，發動機所產生的熱量有將近30%以廢熱的形式通過冷卻系統散發到外界大氣中，而在車輛運行過程中，風扇是冷卻系統中能耗最大的部件[2]，因此，對風扇進行優化是實現車輛節能減排的重要措施之一。

STAUNTON等[3]基于對先進熱管理系統的研究表明，通過采用一組小尺寸的風扇組合來代替原有的單風扇系統，能夠使冷卻系統功耗明顯降低。EMP公司為美國陸軍特種運輸車輛研發的智能熱管理系統采用基于多風扇矩陣的分布式冷卻系統，該系統能夠保證車輛在低速行駛時仍具有充足的散熱能力，同時能夠降低冷卻系統的整體能耗。[4]近年來，克萊姆森大學基于其所設計的6風扇矩陣，運用先進的非線性算法控制風扇的運轉數目及轉速，實現在不同的熱負荷工況下風扇能耗最高可降低67%。[5-6]

本文基于某乘用車的傳統單風扇冷卻系統，提出不同的風扇矩陣形式，并分析各風扇矩陣形式對冷卻模塊空氣側流場的影響。

1 仿真設定

1.1 數值模型

采用某三廂乘用車1∶1整車數值模型，保留大部分的實車細節，忽略發動機艙中對流場影響較小的組件，如輸電線、螺栓等。該車的冷卻模塊、發動機艙以及車身底部視圖見圖1。數值計算的湍流模型選擇可實現的k-ε模型，該模型能夠較準確地捕捉流動分離及預測車身外部氣動阻力。計算域參照同濟大學環境風洞進行創建，見圖2。該風洞為3/4開口式風洞，包括收縮段、噴口、試驗段、駐室、收集口以及擴散段，噴口面積為7 m2，車輛前端距離噴口1.7 m（參照實車試驗布置），為避免出口邊界出現回流進而影響計算穩定性，對擴散段進行延長，取15 m。模型的面網格劃分采用三角形網格，體網格劃分采用以六面體為核心的剪裁體網格，該網格類型在處理復雜的幾何模型時具有較高的效率和魯棒性[7]，近壁面使用Two-Layer All y+ Wall Treatment以減少對邊界層網格質量的敏感性。具體各區域的網格尺寸設置見表1。對發動機艙、車身底部等關鍵區域進行局部網格加密，最終劃分的體網格數目約為2 500萬個。所有算例皆采用穩態計算，迭代5 000步后殘差降至10-4數量級，認為計算收斂。endprint

1.2 邊界條件設定

入口邊界設為質量流量入口，出口邊界設為分散流出口，壁面邊界條件取固定壁面。散熱器、冷凝器使用多孔介質模型，其黏性阻力因數和慣性阻力因數通過臺架測試數據擬合得到，換熱模擬采用單流體換熱器模型，其換熱量由實車試驗結果給定。

風扇模擬采用多重參考系模型，對包圍風扇葉片的流體區域設定旋轉坐標系模擬風扇轉動，風扇轉速由試驗中實際測得的轉速給定。由于發動機艙內部各部件存在復雜的熱交換，因此忽略輻射換熱的影響，對于放熱部件，將其設定為均勻的溫度壁面邊界。

1.3 數值模型驗證

通過對比車輛前端總壓驗證仿真模型。在車頭前端200 mm處安裝總壓排，該總壓排共布置28個1 mm的總壓管，驗證試驗在同濟大學地面交通工具風洞中心的環境風洞中進行，見圖3。

在近地面處（H<0.2 m），試驗測得的地面邊界層比數值模擬得到的地面邊界層厚，而在核心射流區，仿真所得的總壓分布與試驗結果比較一致，兩者的平均誤差為1.14%左右。該誤差主要是在試驗過程中傳感器等所產生的測量誤差以及在建模過程中由于模型簡化所引入的模型誤差。因此，可認為該數值模型具有較高的模擬精度。

1.4 工況設定

選取怠速工況作為研究對象。在怠速時，車輛前端缺少沖壓空氣作用，冷卻模塊僅依靠風扇驅動的冷卻空氣進行換熱。環境溫度設為28 ℃，在入口邊界給定一個微小的質量流量（1 kg/s）以保證數值計算的穩定性。[8]

2 風扇矩陣及其轉速設計

為研究最優的風扇矩陣布置形式，在原有的冷卻模塊基礎上進行改裝，共設計N=2，4，6，8，15等5種風扇矩陣布置形式，見圖5。矩陣中的小風扇與原單風扇系統的結構相同，僅直徑不同。

冷卻模塊散熱量由通過其表面的空氣質量流量決定，冷卻風扇的設計目標是在保證能耗盡可能少的前提下提供盡可能多的空氣流量，因此，首先基于功率相似定律設計各風扇矩陣的轉速，進而對比不同風扇矩陣所能實現的空氣流量，從中選擇最優的布置型式。

由于風扇矩陣中各個風扇屬于并聯布置，并聯運行的總流量等于并聯各風扇流量之和，總揚程與并聯各風扇的揚程相等，通過風扇矩陣的空氣質量Q和揚程H分別為

（2）式中：Qi為第i臺風扇的流量；N為風扇個數。由于風扇矩陣中各個小風扇的轉速和直徑皆相同，可對整個風扇區域進行分隔，減少各個小風扇對應區域之間的相互干涉以及二次流的產生[9]，因此

由功率相似理論可知，風扇矩陣功率P與原單風扇系統功率P0的關系[9]為

式中：D為風扇葉輪直徑；n為轉速；γ為風扇的機械效率，其與風扇轉速的三次方成反比，針對本文中的轉速運行區間，可認為γ=γ0；D0，H0，Q0和n0分別為原單風扇系統的直徑、揚程、流量和轉速。文中D0=392 mm，怠速工況下風扇轉速n0=1 760 r/min（環境風洞試驗測得），各矩陣中的風扇尺寸由冷卻模塊的投影面積和風扇個數決定。

因此，在保證功耗相等的前提下，由式（5）可基于原單風扇系統的尺寸和轉速推出各風扇矩陣的等效轉速，見表2。

3 結果與分析

3.1 不同風扇矩陣對冷卻模塊空氣側的影響

3.1.1 散熱器迎風面氣流速度分布

不同風扇矩陣下散熱器迎風面的氣流速度分布見圖6。由于怠速工況下冷卻氣流完全由風扇驅動，從圖中可以明顯區分出風扇區域對應的速度輪廓，在相同能耗下，不同風扇矩陣下的氣流速度分布差異較大，其中N=4的風扇矩陣葉輪區域的速度最大，峰值速度達到4.94 m/s。此外，即使對各風扇區域進行分隔處理，由圖中可以看出，各風扇之間仍存在明顯的相互干涉，并伴隨著二次流的產生，由此會造成散熱器換熱性能的降低。[10]

3.1.2 冷卻模塊表面氣流速度均勻度

由于發動機艙的結構和布置復雜，冷卻空氣在到達換熱器表面時會變得極不均勻，進而直接影響換熱器的進氣效率和換熱性能。為分析不同風扇矩陣對冷卻模塊表面氣流流動均勻度的影響，提出速度均勻度Φ作為評價指標，

式中：V為平均速度；Af為單元f的面積；Vf為單元f的速度。該指數越接近于1，表明氣流速度分布越均勻。不同風扇矩陣形式下散熱器和冷凝器表面的速度均勻度見圖7。對于原單風扇系統，其散熱器和冷凝器表面的速度均勻度差別不大。隨著風扇數目的增加，其速度均勻度皆表現出先減小后增大的變化趨勢，N=4時冷凝器和散熱器的速度分布均勻度最差。當N≥6時，冷凝器迎風面的速度均勻度比原單風扇系統有明顯提升，而當N=6和N=8時，散熱器迎風面的速度均勻度仍低于原單風扇系統，當N=15時，其速度均勻度優于原單風扇系統。

造成冷卻模塊表面速度均勻度差異的原因是各個小風扇的運行工況點不同。發動機艙空間結構的復雜性使得風扇矩陣中各個小風扇所受的環境阻力不同。N=15的風扇矩陣所能實現的速度均勻度最高，表明其各個小風扇之間的環境阻力差異較小，即各個小風扇的運行工況點越相近，風扇矩陣的效率越高。

3.1.3 通過散熱器的空氣質量流量

在車輛運行過程中，發動機產生的熱量由冷卻液帶至散熱器，并通過熱交換散發到外部空氣中，冷卻液在流經散熱器后散發至空氣中的熱量為

式中：Cp為空氣比熱；m為流經散熱器的空氣質量流量；ΔT為冷卻空氣在散熱器前后表面的平均溫差。由式（7）可以看出，通過散熱器的空氣流量是決定散熱器換熱性能的重要特征參數，仿真得到的不同風扇矩陣形式下通過散熱器的空氣流量以及基于相似定律推出的不同風扇矩陣形式的空氣流量見圖8。由此可見，采用N=2和N=15的風扇矩陣能夠提升通過散熱器的空氣流量，其中，N=15的風扇矩陣優化效果最為顯著，相比原單風扇系統，空氣流量提升15.6%，而N=4和N=8的風扇矩陣反而使通過散熱器的空氣流量下降。對比基于相似定律推出的空氣流量，兩者之間的變化趨勢基本一致，但仍存有明顯的差值，最大可達17.7%，如N=15的風扇矩陣，由相似定律推出的空氣流量為0.385kg/s，而實際仿真得到的空氣流量為0.453 kg/s，由此可以說明通過散熱器的空氣流量不僅僅由風扇的基本性能決定，同時還受到冷卻模塊的布置形式、風扇與散熱器的間距以及各風扇之間的干涉作用等因素的影響。endprint

對比圖7和8還可看出，在不同風扇矩陣形式下，通過散熱器的空氣流量與其表面的速度均勻度存在明顯的相關性，如：N=4的風扇矩陣，其散熱器表面的速度均勻度最小，對應通過散熱器的空氣流量亦最低；N=15的風扇矩陣，其散熱器表面的速度均勻度最大，對應通過散熱器的空氣流量亦最高。由此說明，優化冷卻模塊表面的速度均勻度可以有效提升通過冷卻模塊的空氣流量，從而增加其空氣側的換熱性能。

3.1.4 風扇矩陣對前端熱回流的影響

車輛處于怠速時，由于冷卻模塊的換熱僅靠風扇驅動的空氣，此時往往會伴隨著熱回流現象的產生，造成冷凝器迎風面的平均溫度上升，從而影響換熱性能。冷凝器迎風面的溫度分布見圖9和10。

由此可以看出，怠速工況下，該車冷卻模塊存在顯著的熱回流現象。由于密封性不佳，從散熱器流出的高溫冷卻空氣經過冷卻模塊兩側又回流至冷凝器表面，使得冷凝器迎風面左右兩端的溫度上升。由圖9還可看出，相比原單風扇系統：采用風扇矩陣形式（N=4風扇矩陣除外）能夠減小冷凝器前端的熱回流區域，從而降低冷凝器迎風面的平均溫度；N=8的風扇矩陣溫度降幅最大，由單風扇系統下的44.58 ℃降至38.00 ℃，說明冷凝器的換熱性能得到有效改善。

3.2 風扇矩陣對冷卻系統能耗的改善

由3.1節的分析可以看出，對比原單風扇系統，N=15的風扇矩陣在相同能耗的前提下使通過散熱器的空氣流量提升15.6%，由此可以在不降低空氣側散熱能力的前提下，通過降低風扇轉速來減少風扇能耗。此外，對于N=6的風扇矩陣，其散熱器表面的速度均勻度低于原單風扇系統，而通過散熱器的空氣流量基本相同，所以可以在前端增加導流裝置來提高冷卻模塊表面的速度均勻度，進而提升風扇運行效率。采用合適的風扇矩陣形式，能夠降低冷卻系統的寄生損失，進而提高整車的燃油經濟性。

4 結 論

對傳統乘用車的單風扇冷卻系統進行改造，共設計5種風扇矩陣形式，并利用數值模擬技術分析不同矩陣形式對冷卻模塊空氣側流場以及冷卻系統能耗的影響，結果如下。

（1）隨著風扇數目的增加，冷卻模塊表面氣流的速度均勻度皆表現出先減小后增大的變化趨勢，其中N=4風扇矩陣的氣流速度分布均勻性最差。

（2）采用N=2和N=15的風扇矩陣能夠提升通過散熱器的空氣流量，其中N=15的風扇矩陣優化效果最為顯著，與原單風扇系統相比，空氣流量提升15.6%。

（3）采用風扇矩陣（N=4風扇矩陣除外）能夠減少冷凝器前端的熱回流區域，從而降低冷凝器迎風面的平均溫度。

（4）在不降低散熱器空氣側散熱能力的前提下，采用N=15的風扇矩陣能夠降低冷卻系統能耗，提高整車燃油經濟性。

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