發動機冷卻風扇氣動噪聲優化設計

郭浪 卓文濤 張鑫

摘 要：介紹了汽車發動機冷卻風扇性能CFD仿真方法，進行流場模擬并對比實驗數據驗證仿真可靠性。結合風扇結構參數等因素對原風扇進行優化設計分析，優化后風扇流量和效率略有增加，消耗功率和噪聲均有所降低，達到了優化設計目標。

關鍵詞：冷卻風扇;CFD;降噪優化

中圖分類號：U464.138+.4 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-40-03

Abstract： In this article， The CFD modeling and solution techniques for estimating aerodynamic performances of engine cooling fans are presented， the method is developed to be valuable reference by comparing the CFD results and test. The optimization design is analyzed by combining the structural parameters of the fan profile， The comparison of fan performance before and after the optimization show that air volume and the efficiency of the optimized fan increase slightly， while the power consumption and noise decrease. The performance of engine coo ling fan designed with the method proposed meets the design requirements.

Keywords： Engine cooling fan; CFD; Noise reduction optimization

CLC NO.： U464.138+.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-40-03

前言

隨著國家法規對汽車降油耗要求的不斷提高，同時消費者對汽車動力性能和駕乘空間的追求，乘用車廣泛應用帶集成排氣設計的小排量增壓發動機實現動力性能提高和降低油耗，同時整車設計通過壓縮前艙布置空間縮短前懸來增加乘客艙空間。因此需要通過冷卻模塊帶走的熱量也逐漸增加，而前艙空間布置更加緊湊復雜，空氣流動阻力增大，因此對冷卻風扇性能要求日益提高。

既滿足散熱需求又能保證工作噪聲較低的散熱風扇無疑在市場上更具競爭力。因此，低噪聲高性能的冷卻風扇設計研究，具有重要的現實意義[1]。

本文以某型乘用車發動機冷卻風扇為例，基本結構如下圖所示，運轉工況為2600rpm，靜壓200pa，流量2500m?/h，麥克風測試位置為進風口1m處。

冷卻風扇主要由護風罩、直流電機、風葉、風門組成，為了減少仿真分析時的計算工作量，在對仿真分析結果影響不大的情況下，將風扇輪轂上的安裝孔、風門開槽簡化為實體，另外由于開發流程不考慮散熱問題，電機內部做填充實體，并對一些特別細小的曲面進行簡化處理。

1 風扇分析及驗證

1.1 CFD流場分析

1.1.1 CFD仿真模型的建立

將風扇簡化三維模型在UG中以x_t格式導入到Ansys Mesh中進行前處理，將風扇流體仿真模型分為入口區、過渡區、旋轉流體區及出口區4個部分，入口區和出口區按照風扇性能試驗方法建立。考慮到發動機冷卻風扇仿真模型的復雜性，在Ansys Mesh中，對流體區域采用四面體網格分區劃分的方法，旋轉流體區網格尺寸最小，管道區網格稍大，入口區和出口區網格最大。在梯度變化大的地方，如在風扇扇葉邊緣對其進行加密，以保證網格精度。網格劃分如圖3所示。

1.1.2 邊界條件設定

在風扇流道中流動的介質是空氣，將進口面設為壓力入口條件，給定流動總壓為大氣壓力，出口面設為壓力出口條件，自由出口沒有附加壓力作用，相對大氣壓力為0pa。旋轉區以Z軸為旋轉軸，旋轉速度2600rpm，其中扇葉設為移動壁面條件。旋轉區與過渡區之間采用interface設置傳遞不同計算域數據。

冷卻風扇內部流體為不可壓縮氣體，流動中無熱量交換，不考慮能量守恒方程，只考慮連續性方程及三維N-S方程。內部流動為穩態流動，采用定常計算。求解采用RNG K-ε模型，并采用SIMPLE壓力修正算法來求解速度與壓力的耦合，計算時采用亞松弛因子，設置進出口面的質量流量為監測量，進口和出口湍流度均設為0.5%，設置殘差為1×10-4。當流量趨于一個穩定值時視計算結果收斂。

1.1.3 流場結果分析

收斂后提取風扇在靜壓點的流量、扭矩等性能參數，對比CFD流量-靜壓曲線與試驗結果趨勢一致，常規工作區間絕對誤差基本不超過5%。由此可驗證CFD模擬結果精度良好，可靠性較高，可作為優化設計評判標準。

2 風葉優化分析

目前風扇優化方面，關于葉片幾何尺寸、葉片安裝角、葉片數、風扇直徑、輪轂比等因素的研究較多[2-4]。對于冷卻風扇降噪，除采用消聲、隔聲或吸聲措施外，針對風扇本身氣流參數和結構參數也有大量的研究，但針對本項目過程中風扇，由于風扇幾何參數、冷卻模塊內部結構與氣動噪聲間的關聯規律十分復雜，增加了上述降噪措施的應用難度，同時會引起一定的氣動性能損失。

根據氣動聲學Lighthill波動方程，各種生源與空氣流速有以下關系：

單極子聲源聲功率：

偶極子聲源聲功率：

四極子聲源聲功率：

其中：W—聲功率;ρ—空氣密度;L—特征長度;v—空氣流速;c—聲速。

由公式可以看出：聲功率與流速指數次方成比例關系。理論分析和實驗研究表明，通風機氣動噪聲的聲功率與葉輪圓周速度的6次方成正比，選用高效葉柵、減少氣流損失，增大葉片寬度、降低風扇轉速是最有效降低風扇氣動噪聲的途徑之一[5-6]。

翼型葉片具有機翼型的橫斷面，借鑒航空中空氣動力特性設計良好的翼型用于風機葉片截面上，同時將翼型設計技術進行移植、改進，用于設計高效風機翼型，研制出適用于冷卻風扇用的翼型和風機葉輪設計系統，可以大幅改善風扇的效率和降低噪聲。

本文采用加大葉片翼型彎度，增加葉輪負荷以滿足性能要求，同時為補償風扇轉速下降帶來的做功能力損失。風葉翼型優化前后最大彎度由3.2%增大至4.8%。

彎掠動葉和傳統徑向動葉相比可以較大幅度提高氣動效率、降低氣動噪聲，但同樣最高效率點的壓頭有所降低，因此根據優化后翼型，維持葉片安裝角，適當調整風扇前彎曲線，在較低轉速下可保持最高效率點靜壓，整體功率維持不變。

優化后風葉主要結構參數如下圖所示，風葉葉片數、安裝角無變化，葉片彎度和弦長增大。

通過對優化前后風扇分析對比，實驗結果顯示，優化風扇200pa工作點轉速大幅降低約300rpm，同時工作點效率更高、流量性能更好。

為驗證風扇噪聲性能，制作快速成型樣件對風扇進行噪聲性能測試，分別在風扇進風側+45°、0°、-45°方向1m距離分別布置麥克風，測試結果如下圖所示：

臺架試驗結果表明，風扇扇葉優化后的噪聲表現改善非常顯著。實現了風扇優化噪聲的目的。

同時將優化扇葉的風扇更換到整車上面進行噪聲的主觀評估和噪聲測試，主觀評估結果噪聲降低明顯噪聲測試結果如下：

3 結論

論文以國內某款乘用車發動機冷卻風扇為研究對象，利用UG軟件建立了風扇三維實體模型，用Ansys軟件進行了計算域的網格劃分，使用FLUENT軟件對風扇性能進行了仿真分析，通過與實驗對比，證明了仿真分析結果的可信性;根據現有葉片結構，優化風扇截面翼型，保持翼型厚度不變適當增大翼型彎度，并調整最大彎度位置，可以有效提高翼型升力系數和升阻比;建立高效彎掠葉片風扇模型，通過模擬分析和實驗驗證，風扇氣動效率更高，流量性能更好，同時在整車試驗中，風扇噪聲下降約2dB，主觀評價明顯改善。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].第四版.北京：人民交通出版社，2002：240- 246.

[2] 張紅輝.發動機軸流冷卻風扇低噪聲氣動性能分析與控制研究[D].重慶：重慶大學，2002.

[3] 蘇曉芳，楊林強，陳圓明，李歡.發動機冷卻風扇的降噪研究與優化[J].汽車技術，2011，9：24-27.

[4] 歐陽華，鐘芳源.葉輪機械氣動噪聲及周向前彎動葉降噪技術的研究[J]，上海交通大學學報，2001，8（6）：50-52.

[5] 伍先俊，李志明.風機葉片噪聲機理及降噪[J].風機技術，2001（4）： 11-13.

[6] 殷海紅，昌澤舟.軸流式通風機的噪聲機理及降噪措施[J].風機技術，2007（1）：16-17.