某型號風扇性能分析與優化

劉吉林，王宏大，王次安

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某型號風扇性能分析與優化

劉吉林，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型號車輛在熱平衡試驗中水溫超標，經排查，制約冷卻系統散熱能力發揮的主要因素是風扇性能不滿足需求。通過使用Flowmaster軟件，建立能夠重現水溫超標問題的模型。以目標水溫為邊界，逆向推導風扇所需滿足的性能指標。經驗證，換裝新風扇樣件后可通過試驗。

冷卻風扇；熱平衡；仿真分析；Flowmaster

引言

車輛在開發過程中，需要經過各類試驗來確認車輛的實際性能是否達標。一旦出現不合格的情況，就需要排查原因、設計整改、再次驗證，最終才能通過。而受到各種因素的影響，試驗不能反復多次進行，也不能在試驗中動態調整待測試的零件。此時，通過仿真分析可以定量的找到不足之處，避免多次試驗。

當前在試驗中發現某款車在熱平衡試驗中水溫超標，未能通過試驗。而試驗記錄的數據僅展示了最終這一結果，并不能反映問題根源的所在。為解決這一問題，從冷卻系統工作原理及運行過程進行分析，結合記錄的試驗數據，逐一排查可能出現的問題點。

1 原因排查

冷卻系統運行過程中，發動機產生的廢熱一部分經排氣帶走，其他熱量主要經過發動機水套吸收進入冷卻液，表現為冷卻液水溫的升高。隨后高溫冷卻液進入散熱器，和外界的常溫空氣進行換熱，而后溫度降低。低溫的冷卻液再次回到發動機進水口，然后進入水套進行下一次循環。

對于換熱核心零件散熱器來說，影響換熱的因素來自三個方面：冷卻液側、散熱器幾何結構、空氣側。其中，冷卻液側是熱量的來源，空氣側是熱量的去向，而散熱器的幾何結構則是影響單位流量單位溫差條件下換熱總量的因素。所以，一旦出現換熱問題，也就按照這三個大方向著手排查。

冷卻液側排查。冷卻液側的問題主要有兩點，其一散熱器設計流量不足、其二散熱器實際流量不足。經核對設計文件，冷卻系統各支路流量設計合理；經拆解及測試發現，管路內部無堵塞，節溫器開啟溫度、開啟升程、響應速度正常，水泵運行正常，散熱器支路流量正常，符合預期。據此，排除冷卻液側故障。

散熱器排查。堵塞、缺陷等問題排除之后，散熱器需要確認的問題就是，換熱系數或者換熱效率是否合格。由于不同的流量溫差條件下該數值本就不是定值，通常需要核對的就是標準換熱試驗條件下的換熱功率是否符合圖紙要求。經確認，散熱器性能符合圖紙要求，散熱器幾何尺寸同樣符合圖紙要求。故，散熱器無問題。

空氣側排查。如上文分析，冷卻液足量的運送了熱量進入散熱器，而散熱器也具備將熱量傳遞至外側空氣的潛力。而熱量最終卻沒能順利進入空氣。空氣接收熱量主要有兩個影響因素：空氣流量和散熱器前空氣溫度。通過試驗記錄的數據可知，散熱器前空氣溫度在合理的范圍之內，而讀取到的散熱器表面風速較低。另外，監測到的散熱器后空氣溫度也很高，即空氣側溫差很大。綜合上述兩點可以即可確定換熱不良的原因在于空氣流量不足。而要想提高風量，則需要盡可能降低空氣通道上的流阻，避免漏風，再者提高風扇性能。由于前兩項已作過優化調整，故重點調整方向在提升風扇性能上。

2 分析建模

由于試驗結果僅能表明風扇性能不足，而并不能指出性能需要提升多少。在后續試驗前，應當通過模擬分析查找適應當前車況的風扇性能，再和系列化產品比對選取合適的風扇。

建模采用Flowmaster軟件搭建一維分析模型，以散熱器為核心，分別建立空氣和冷卻液兩條流通通道。冷卻液流量受水泵控制直接按轉速插值給出，溫度根據試驗記錄直接賦值；散熱器直接填寫換熱性能數據；空氣側是重點需要標定的通路。因為一維分析模型并不能根據三維幾何數據直接自動計算流阻，同時還要兼顧各個位置計算的溫度要符合試驗測試到的溫度。最后，模型必須能夠同時適用于所有測試過的工況。

圖1 前端模塊分析模型

模型如圖1所示，橫向是空氣側模型，豎向是冷卻液側。冷卻液側無需過多標定，空氣側最終需要調整格柵、冷凝器、散熱器、發艙綜合等多處流阻，使各個節點溫度與試驗相符。

模型標定中，風阻可以參考零部件單體試驗的是冷凝器，而進氣格柵的風阻只能部分參考，發動機艙底風阻只能根據其他試驗數據逐步調整。

試驗共分析五種速度-負荷綜合工況，車速從低到高。以散熱器前風速為例，模型計算風速與實測風速重合比例如圖2，高速工況完全符合，僅最低車速工況差異較大。但整體吻合程度很高。

圖2 各工況重合比例

當模型標定后，使用流量源和壓力源替換掉風扇元件，如圖3所示。

圖3 替換掉風扇元件后的模型

此時，逐步調整“風扇”位置壓力源的壓力值，使空氣側空氣流量逐漸增加，這時可以觀察到散熱器冷卻液出口溫度逐漸降低，最終使發動機出口溫度低于限值。

3 結論分析及驗證

圖4 風扇性能需求

如上圖，孤立點是風扇性能需求，曲線是當前風扇在最大驅動電壓下的性能曲線。以新的性能需求為邊界，重新提出風扇設計需求。將新的樣件安裝至試驗車后驗證發現，各工況下水溫都已低于限值。

4 結語

從整個解決問題的過程來看，嚴謹的排查可以快速準確的鎖定問題所在。而針對性建模分析可以定量的確定整改優化目標。結合最終的試驗驗證確認整改方案的可行。

[1] Flowmaster軟件參考文檔.

[2] 高巧,劉吉林等.某型號柴油發動機冷卻系統分析及優化[J].汽車實用技術. 2017(8), 129-131.

Simulation and Optimization for a Cooling Fan

Liu Jilin, Wang Hongda, Wang Ci’an

( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

At the end of a vehicle thermal balance test the coolant temperature is beyond the limit value, which results from the checked fact that the performance of the cooling fan is not sufficient. A Flowmaster analysis model is built to solve this problem. To fulfill the target coolant temperature, run the model to calculate the proper performance specification. The sample fan passes the next test.

Cooling fan;Thermal balance;Simulation; Flowmaster

A

1671-7988(2019)03-91-02

U464.138

A

1671-7988(2019)03-91-02

U464.138

劉吉林，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.027