汽車冷卻風扇設計參數仿真優化

張涵 韋流權 劉康 魯力

摘要：鑒于汽車冷卻風扇的工作性能直接影響發動機艙的散熱性能，本研究以全面提升散熱器人口進風量和冷卻風扇有效功率為優化目標，以實車為例，進行了冷卻風扇軸向伸入距離、風扇與風扇罩徑向間隙和風扇旋轉中心偏移距離三個設計參數進行優化。首先采用計算流體力學（CFD）方法，單因素分析各個設計參數對散熱器入口進風量和冷卻風扇有效功率的影響規律。然后采用正交試驗方法，對發動機艙散熱性能的影響因素進行了研究，發現風扇與風扇罩徑向間隙的變化相對于其他因素對發動機艙散熱性能的影響更為顯著，并獲得了風扇設計參數的最佳組合方案。最后經過仿真驗證結果表明，與原車模型相比，優化后在爬坡工況下散熱器進風量提升了10.90%，風扇進風量提升了8.81%，風扇有效功率提升了12.22%，發動機表面溫度降低了1.23°C，其結果有效地改善了發動機艙的散熱性能。

關鍵詞：發動機艙;冷卻風扇;CFD數值分析;正交試驗優化

中圖分類號：U463

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0058-07

Simulation Optimization of Automotive Cooling Fan Design?Parameters

ZHANG Han'， LIU Kang， LU Li

（ 1. SGMW Corporation， Guangxi Liuzhou 54007， China; 2. Wuhan University of Technology，Hubei Wuhan 430070， China ）

Abstract： In view of the performance of the car cooling fan directly affects the heat dissipation performance?of the engine compartment. The study aims to optimize the overall improvement of?the inlet air volume of the radiator and the effective power of the cooling fan and takes the actual vehicle?as an example to optimize the axial extension distance of the cooling fan， the radial clearance of?the fan and the fan cover and the center of rotation of the fan. Firstly， the computational fluid dynamics?（CFD） method is used to analyze the influence of various design parameters on the intakeair volume of the radiator and the effective power of the cooling fan. Then the orthogonal test method?is used to study the factors affecting the heat dissipation performance of the engine compartment. It is found that the radial clearance of the fan and the fan cover has a more significant influence?on the heat dissipation performance of the engine compartment than other factors， and?the fan design parameters with the best combination of options are obtained. Finally， the simulation results?show that compared with the original model， the air intake of the radiator is increased by10.90%， the air intake of the fan is increased by 8.81 %， the effective power of the fan is increased by12.22%， the surface temperature of the engine is increased by 1.239C， and the result effectively?improved the heat dissipation performance of the engine compartment.

Key Words： Engine Compartment; Cooling Fan; CFD Numerical Analysis; OrthogonalTest Optimization

張涵

畢業于廣西大學機械工程學院，本科學歷，現任上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心整車性能集成科經理，主要從事整車性能集成開發工作。

1引言

冷卻風扇作為汽車冷卻系統中的核心冷卻部件，其設計參數的好壞直接影響著發動機艙散熱性能的高低。隨著汽車發動機冷卻系統的結構愈發成熟，對于冷卻風扇的設計和安裝常采用傳統的經驗方式，沒有針對特定車型進行特定分析，使得冷卻風扇與冷卻系統匹配性較差，工作效率不高。

目前國內外已有大量針對車用冷卻風扇優化方面的研究，國內方面王巍雄等【1】通過試驗研究對比了導流罩在3種不同相對軸向位置下的風扇性能，試驗結果表明當葉片后緣位于導流罩出口平面內時風扇的氣動性能和噪聲指標均達到最佳;沈凱等【2】研究并聯式發動機冷卻模塊安裝參數對冷卻模塊整體氣動性能的影響，結果表明風扇軸向升入距離存在一個最佳位置，而越小的徑向間隙可以帶來最佳的氣動性能。國外方面SrinivasaVK等【3】研究冷卻風扇和風扇罩設計參數對車輛冷卻系統冷卻性能的影響，并對提高風扇入口進風量、散熱器人口速度均勻性和降低風扇功率多目標進行優化得到風扇侵入比、扇芯距和風扇罩倒角長度比的最佳設計參數;WilkinsonM等【4】以某款M型軸流式風扇為例研究葉尖間隙和葉片角度對風扇性能的影響，結果表明減小葉尖間隙和增加葉片角度在一定程度上均可以改善風扇效率提高風扇性能。

以上研究可知，現階段關于車用冷卻風扇的研究主要集中在風扇葉形參數和設計結構優化，評價指標上大多以提升風扇自身氣動性能作為唯一標準，沒有考慮風扇參數對發動機艙整體散熱性能的影響，且在研究方法上基本基于單因素分析，沒有考慮到各因素在改變過程存在互相干涉的問題。本研究從風扇軸向伸入距離、風扇與風扇罩徑向間隙和風扇旋轉中心偏移距離三個設計參數對發動機前艙散熱性能的影響規律，并采用正交試驗的方式對三個設計參數進行多因素多目標耦合分析，從而獲取冷卻風扇設計參數的最佳組合方案，最終通過改進后車型進行仿真試驗進行了驗證。

2數值計算模型

2.1CFD數值仿真

本研究采用ANSA對整車模型進行簡化以提高仿真效率，簡化部分包括座椅、儀表盤、方向盤等車身內部無關構件，保留發動機艙內部結構和車身外形框架。并依據已有的通用方式建立風洞仿真模型和設置網格加密區域以提高仿真精度【5】【6】，整車模型及其計算域如下圖1。采用ANSYSFluent對網格模型進行仿真求解計算，設置風洞人口為速度人口，大小為車速，出口設置為壓力出口，大小為標準大氣壓;同時設置散熱器和冷凝器為多孔介質邊界條件，對風扇部件采用MRF區域模型【7】，并固定風扇轉速為2568rpm。仿真工況選取爬坡工況（40km/h）與高速工況（117km/h）兩種極限工況，研究參數示意圖如圖2。

2.2仿真結果分析

對原始車型進行CFD仿真，分析發動機前艙的流場狀態和目前存在的問題，兩種極限工況下原始車型發動機艙對稱面速度云圖如圖3。

分析圖3速度云圖可知，發動機前艙內部氣體的流動情況十分惡劣。1）兩種工況下，從下進氣格柵進人發動機艙的進氣量都明顯大于上進氣格柵的進氣量，且由于冷凝器和散熱器組成的散熱器組具有不完全通風性導致下部流速較快的冷卻氣流在冷凝器前出現大量滯留，進而導致進氣格柵和冷凝器中間產生了漩渦現象，其結果嚴重地影響了發動機艙的散熱性能。2）冷卻氣流在進人發動機艙后在散熱器組上下部產生分離，一部分氣流從散熱器組下方逃逸流人底盤，另有一部分氣流逃逸至散熱器組上方并經過發動機罩蓋最后匯入底盤，氣流逃逸現象導致冷卻氣流沒有得到有效利用，不利于發動機艙散熱，且在高速工況下尤為明顯。

3冷卻風扇設計參數影響分析

3.1發動機艙散熱性能評價指標

衡量發動機艙散熱性能的評價指標主要考慮以下兩個方面，一方面是散熱器人口空氣質量流率的大小，當冷卻空氣通過散熱器在進出口溫差不變時，散熱器進風量越大意味著在相同時間內進行熱交換的氣體流量越大，進而冷卻效果越好;另一方面是冷卻風扇有效功率的大小，風扇有效功率越大意味著風扇工作效率越高，進而體現出冷卻效果越明顯，冷卻風扇有效功率與風扇流量和風扇全壓有關，關系式如下。

式中：p。為風扇有效功率，w;p：為風扇全壓，p。;q，為冷卻風扇流量，m3/s。

3.2數值仿真結果分析

3.2.1風扇軸向伸入距離

對原車型風扇部件進行三維測量，冷卻風扇葉輪沿X軸正向上可移動最大距離為19.32mm，將冷卻風扇葉輪沿著風扇旋轉中心的軸向依次移動3、6、9、12、15、18mm進行仿真計算，同時設置監測面計算得到不同工況下散熱器入口進風量和冷卻風扇有效功率如下圖4和圖5。

分析圖4和圖5可知，兩種工況下，風扇軸向伸入距離出現的最佳點不一致，高速工況下，軸向伸人距離為3mm時散熱器進風量最大提升2.49%，風扇有效功率最大提升6.44%。爬坡工況下，軸向伸入距離為12mm時散熱器進風量最大提升3.99%，風扇有效功率最大提升19.06%。

3.2.2風扇與風扇罩徑向間隙

冷卻風扇葉輪與風扇罩在徑向間隙最大為13.53mm，將冷卻風扇葉輪最外圈沿法向方向平移2、4、6、8、10、12mm進行仿真計算，設置監測面計算得到不同工況下散熱器人口進風量和冷卻風扇有效功率如下圖6和圖7。

分析圖6和圖7可知，兩種_工況下各項評價指標均在冷卻風扇與風扇罩徑向間隙減小6mm取的最大值。高速工況下，散熱器人口進風量最大提升1.59%，風扇有效功率最大提升8.71%;爬坡工況下，散熱器人口進風量最大提升8.63%，風扇有效功率最大提升23.24%。

3.2.3風扇旋轉中心偏移距離

冷卻風扇內圈沿Z方向上可偏移最大距離為9.62mm，保證冷卻風扇葉輪處于風扇罩內圈正中心位置，將冷卻風扇葉輪以及風扇罩內圈整體向Z方向平移2、4、6、8mm進行仿真計算，設置監測面計算得到不同工況下散熱器入口進風量和冷卻風扇有效功率如下圖11和圖12。

分析圖8和圖9可知，兩種工況下各項評價指標均在風扇旋轉中心沿Z向偏移距離為2mm可取得最大值。高速工況下，散熱器人口進風量最大提升率2.78%，風扇有效功率最大提升率6.89%;爬坡工況下，散熱器人口進風量最大提升率2.56%，風扇有效功率最大提升率6.34%。

3.2.4綜合分析

單因素仿真結果可知：1）研究參數在各個工況下散熱器入口進風量和風扇有效功率大致呈現出相同的變化規律，且兩種評價指標下出現的最佳點一致;2）分析各項評價指標的提升量可知，爬坡工況相對于高速工況，冷卻風扇設計參數的改變對發動機艙散熱性能的影響效果更為顯著。3）研究軸向伸入距離可知，不同工況下散熱器人口進風量和風扇有效功率最佳點出現偏差，目前出現可選擇優化點為3mm和12mm，考慮到爬坡工況中風扇抽吸效果更加明顯，故選擇風扇軸向伸入距離移動12mm作為最佳點。

4正交試驗耦合分析

4.1正交試驗表

單因素分析往往可以得到各因素在各自改變范圍的較優解，然而在多數的科學研究中往往需要綜合考慮多種因素對試驗目標的影響，進行綜合優化。正交試驗法可通過對各個因素水平均勻搭配，研究具有代表性的水平組合來確定每個因素對研究指標的影響能力大小。

在單因素分析中得知，冷卻風扇軸向伸人距離最佳點為12mm，取12mm土2mm為因素A水平，冷卻風扇與風扇罩徑向間隙最佳點為6mm，取6mm士1mm為因素B水平，冷卻風扇沿Z向偏移距離最佳點為2mm，取2mm±1mm為因素C水平。綜上所述，試驗因素和水平選擇見表1。

試驗設計為三因素三水平，為提高研究精度增加一列誤差計算列，因此選擇L9（34）進行正交試驗，試驗表頭見表2。

4.2正交試驗結果分析

4.2.1極差分析

根據選定的試驗方案進行仿真計算，由于冷卻風扇的抽吸效應在爬坡下更加顯著，因此對爬坡的正交試驗結果進行分析試驗結果見表3，表中Im、IIm、IIIm分別表示在各因素各水平下散熱器人口進風量的總和;Im、IIm、IIIm分別表示在各因素各水平下風扇有效功率的總和，R，，極差為各因素的不同水平對散熱器入口進風量的影響，R。極差為各因素的不同水平對風扇有效功率的影響，極差越大表示該因素的變動對評價指標影響越大。

表3正交試驗結果極差分析

極差分析結果可知，在兩種評價指標下，對試驗結果影響最大的是B（風扇與風扇罩徑向間隙），其次是A（風扇軸向伸入距離），影響最小的是C（風扇旋轉中心偏移距離）。分析各因素的最優水平可知：1）當評價指標為散熱器人口進風量時，三因素的最優水平分別為B2A1C2。2）當評價指標為冷卻風扇有效功率時，各因素的最優水平為B2A3C2。

對比不同指標下存在矛盾的A1與A3水平，評價指標為散熱器人口進風量時，A1相對A增長率為0.77%，評價指標為有效功率時，A1相對A3增長率為3.57%，故選取增長率更高的A水平為最優水平。綜上可知，極差分析可得風扇設計參數的最優組合方案為B2A1C2。

4.2.2方差分析

僅通過極差分析無法確定B因素為顯著影響因素（P<0.05或P<0.1），如此選出的主次因素和相應的最佳實驗組合不具備任何意義，試驗結果不可靠，因此須在極差分析的基礎上進一步進行正交試驗的方差分析【8】。極差分析結果可知因素B對兩種評價指標的影響最大，因此選擇因素B評判其是否為顯著影響因素，方差分析結果如下表4。

通過表5比較分析可知，VA、VC和Ve誤差列處于同一水平，因此認為因素A對試驗指標影響相對于B而言較小，因此將SA、SC和Se合并來估算誤差影響的大小。同時，誤差項自由度越大，顯著性檢驗也越精確。對B因素顯著性進行檢驗，計算修正后的誤差平均變動，B因素的顯著性計算公式如下：

式中，FB為因素B的顯著性值，VB為因素B列平均變動，V員為修正誤差平均變動

式中，S為各列變動;f為各列自由度。兩種評價指標下因素B的顯著性檢驗結果見表5。

評價指標為散熱器人口進風量時，因素B的影響能力F值12.77>10.92，故判斷為極顯著;評價指標為冷卻風扇有效功率時，因素B影響能力F值為9.10處于5.14至10.92之間，判斷為一般顯著。綜上可知，因素B的顯著性得到了檢驗，方差分析結果與極差分析結果一致。

5優化方案驗證

將原車三維模型以B，A，C，組合方案進行調整和仿真計算，截取優化前后不同截面的云圖并監測計算相關參數用以驗證優化方案可以有效地提升發動機艙的散熱性能。優化前后發動機艙對稱面流場圖對比如圖10，優化前后冷卻風扇壓力場圖如圖11，優化前后相應參數對比如表6。

分析優化前后發動機前艙流場可知，相對于原車模型，優化后進氣格柵處的低速氣流堆積區域明顯縮減，散熱器組和進氣格柵中間的空氣流量明顯增加，通過冷卻部件的進氣量得到明顯提升;分析冷卻風扇壓力場可知相對于原車模型，優化后風扇葉片邊緣的高壓區域明顯增大，葉輪中央的低壓區域明顯減小，風扇整體壓力更加均勻，其結果有效地提升了風扇自身的抽吸能力。

優化前后仿真結果表明，優化后該車型散熱器進風量提升了10.90%，冷卻風扇進風效率提升了8.81%，冷卻風扇有效功率提升了12.22%，發動機表面溫度降低了1.23C，優化結果有效地改善發動機艙的散熱性能。

6總結

文章以某MPV車型為研究實例，通過CFD仿真分析結合正交試驗的方法研究冷卻風扇設計參數對發動機艙散熱性能的影響，并以散熱器人口進風量和風扇有效功率為優化目標完成了優化設計。

（1）綜合分析了冷卻風扇軸向伸入距離、風扇徑向與風扇罩間隙和風扇旋轉中心3個風扇設計參數對散熱器進氣效率和風扇性能的影響規律，結果表明冷卻風扇與風扇罩徑向間隙對提升發動機艙散熱性能的影響最大。

（2）對冷卻風扇3個設計參數進行最優化調整，有效改善發動機艙的散熱性能，結果表明優化后車型在爬坡工況下，散熱器進風效率提升10.90%，冷卻風扇進風效率提升8.81%，風扇有效功率提升12.22%，發動機表面溫度下降了1.239C。

參考文獻：

[1]王巍雄，莫順華，陳馨等，導流罩安裝位置對軸流冷卻風扇性能的影響[J].風機技術，2007（1）：5-7.

[2]沈凱，徐錦華，朱黎明等.發動機冷卻模塊安裝參數對氣動性能的影響[J].內燃機工程，2013，34（1）：27-32.

[3]Srinivasa V K， Renjith S， Shome B. Design ofExperiments Enabled CFD Approach for OptimizingCooling Fan Performance【?J]. SAE Technical Paper，2014，1.

[4]Wilkinson M， Van d S S J， von Backstrom， Theodor?W. Performance Testing of an Axial Flow Fan DesignedFor Air-?Cooled Heat Exchange Applications [J].Journal of Engineer for Gas Turbines and Power， 2018.

[5]蔣光福.汽車發動機艙散熱特性研究[J].汽車技術，2006（5）：18-23.

[6]郭健忠，吳建立，殷良艷等.CFD技術在機場散熱性能研究及優化中的應用[J].機械設計與制造，2017（7）：259-262.

[7]何煒，馬靜，王東等.多參考坐標系法和滑移網格法在汽車前端進氣數值模擬中的比較[J].計算機輔助工程，2007，16（3）：96-100.

[8]劉瑞江，張業旺，聞崇煒等.正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理，2010，27（9）：52-55.

專家推薦

吳曉飛：

運用DOE試驗設計（多因素試驗設計方法）對冷卻風扇的三個參數做優化，在不改變動力總成布置、熱管理系統零部件前提下，對發動機艙熱管理局部參數進行優化，成本低，思路正確，值得借鑒。