基于Fluent的風扇流場分析及結構參數優化設計

楊 歡 李慶武

（1．常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213100；2．河海大學物聯網工程學院，江蘇 常州 213022）

0 引言

冷卻風扇作為汽車發動機冷卻系統的核心部件，其流量直接決定了汽車的散熱性能。傳統的設計通常采用理論公式與現場試驗相結合的方法，或根據經驗對風扇進行設計，存在周期長、成本高以及參數與性能匹配性差等問題[1]。

隨著仿真技術的發展，國內外學者基于計算流體力學（CFD）研究了風扇不同的設計參數對其流量、功率以及效率等氣動性能參數的影響[1-8]。張若楠等[1]基于Fluent分析風扇的3種不同參數對散熱器進風量和風扇有效功率的影響規律。金漲軍[2]基于CFD采用正交試驗法研究葉片安裝角、弦長和拱高對風扇靜壓和功率的影響并對其進行優化。鄭智方等[3]采用正交試驗研究風扇性能，以降低噪聲。由此可見，基于Fluent采用正交試驗法對風扇葉片進行結構參數優化設計可以有效地提高風扇的綜合性能。

該文以提高冷卻風扇的流量為目的，采用UG建立冷卻風扇的三維模型，基于Fluent進行葉片流場仿真分析，并通過風洞試驗進行理論驗證。采用正交試驗法，以背壓為350 Pa時的流量為優化目標，以葉片數量、安裝角以及葉片長度為優化參數，從而優化風扇的性能。

1 風扇流場建模與分析

1.1 風扇流場建模與網格劃分

以某企業某型號冷卻風扇為原型（如圖1所示），采用UG建立簡化后的三維幾何模型。模型主要包括葉片、輪轂和外環3個部分。其中，冷卻風扇的安裝角為35°，葉片數為7，葉片長度為76 mm。

圖1 冷卻風扇幾何模型

為了與風洞試驗結果進行對比驗證，CFD仿真模型的構建根據實際風洞試驗模型進行設置。 為了使模擬狀態下的氣流更均勻，整個流場分為3個部分（進口域、旋轉域和出口域）。

1.1.1 旋轉域

試驗中的葉片始終處于勻速轉動狀態，為了更好地模擬氣體的流動情況，在風扇周圍建立圓柱形包絡體作為內流域，半徑大小與實際風扇外殼大小相同，圓柱體前后表面稍微超出風扇端面（便于網格劃分），如圖2所示。

圖2 旋轉域

1.1.2 外流場

根據實際模型，實驗臺外部區域為進口，內部區域為出口，因此將外流場分為2個部分（進口區域和出口區域），如圖3所示。

圖3 進口域與出口域

由于風扇葉片造型復雜，因此采用非結構化四面體網格進行網格劃分。為了更好地捕捉葉片周圍區域的氣流情況，對葉片處的旋轉域網格進行細化，添加膨脹層和面網格。通過開展網格無關性驗證，分別計算當背壓為350 Pa、網格數量不同（約為210萬、320萬和400萬）時的流量，結果表明，網格數為210萬與320萬的流量相差較大，約為3.5%；網格數為320萬與400萬的流量相差較小，約為1.0%。綜合考慮計算精度和效率，采用網格數約為320萬的網格（如圖4所示）。

圖4 整體網格

1.2 邊界條件設置

該文冷卻風扇模型所用到的邊界條件包括壓力進口、壓力出口、壁面和交界面。由于空氣為不可壓縮流體，進、出口分別與大氣相連通，因此將進、出風口邊界條件分別設置為壓力進口和壓力出口。入口為大氣壓力，因此在多種工況條件下的相對壓差均為0 Pa。根據風洞試驗，將出口壓力的背壓分別設置為0～500 Pa。將長方體其余表面和圓柱外表面設置為壁面，將圓柱體與長方體的交界面設置為交界面。

1.3 計算方法設置

由于風扇的各個葉片表面都存在彎曲、扭轉的情況，導致流體的運動并不規則，因此選擇更貼合實際情況的Realizablek-ε模型，近壁處理選用增強壁面處理（Enhanced Wall Treatment）；當設置求解器時，采用SIMPLEC算法，以提高收斂速度；動量守恒方程、湍流動能和湍流耗散率均設置用二階迎風格式來進行計算。

1.4 仿真結果及分析

對原始風扇實物進行CFD流場仿真分析，當背壓為350 Pa、轉速為4 425 r/min時，風扇的靜壓云圖如圖5所示。由圖5可知，葉片的壓力只有在尾緣處為負值，其余部分為正值，最大壓力值為1 200 Pa，最小壓力值為-1 270 Pa。在葉片的吸力面，處于葉片前緣靠葉片中間位置的表面靜壓值最小，同時向兩側逐步擴張；外環與葉片前緣相交處表面的靜壓值最大，并朝輪轂方向呈逐漸減小的趨勢。

圖5 冷卻風扇表面靜壓圖

原始風扇表面的速度云圖如圖6所示。由圖6可知，風扇表面速度隨直徑的變大逐漸變大。風扇葉片在工作時受旋轉離心力的作用，隨著半徑逐漸變大，風扇表面的旋轉速度也開始變大，葉片表面的動壓也逐漸增加。

圖6 冷卻風扇表面速度云圖

通過改變出口邊界條件，賦予風扇不同的背壓值，可以得到不同背壓下的風扇流量，如圖7所示。當靜壓為350 Pa時，風扇的流量為0.38 m3/s。流量隨靜壓的增大而逐漸減小。當靜壓為0 Pa時，冷卻風扇的流量最大，約為0.99 m3/s；當靜壓為500 Pa時，流量達到最小值，約為0.28 m3/s。

圖7 不同背壓下風扇的流量

2 風洞試驗驗證

企業提供的風扇氣動性能風洞實驗臺示意圖如圖8所示。實驗臺采用定靜壓的方式來測量相關參數和風量。首先，設定靜壓值，采用PID儀表測得靜壓值。其次，讀取當前靜壓下的各項數值，例如大氣壓、差壓、靜壓以及出風口風速等數值，以計算流量。最后，得到不同背壓下的流量數據。

圖8 風洞實驗臺

背壓為100～400 Pa的流量試驗值與數值解對比如圖9所示。對比試驗值與數值解可以看出，隨著背壓的增大，二者均變小。數值解均小于測試值，平均誤差約為8.8%；當背壓為200 Pa時，誤差最小，約為2%。造成誤差的原因主要有2點：1） 實驗臺存在一定的測試誤差。2） 仿真分析時對模型進行了簡化，導致模型存在一定誤差。綜合考慮誤差的原因和結果，可以認為仿真模型和結果是準確、可靠的。

圖9 數值解與風洞試驗值對比

3 正交試驗法優化設計

3.1 正交試驗表

以企業提供的風扇原型為參考，采用正交試驗法進行優化設計。所設計的風扇要求在尺寸限制的條件下，盡可能提高各背壓下的流量。由于實際應用中最常用的為高背壓段（300 Pa～450 Pa），因此選取背壓為350 Pa時的流量作為評價指標。所設計的風扇內徑、外徑尺寸已限制，當風扇葉片過長時，會導致成本增加、風扇安裝困難；當葉片過短時，會導致氣流在葉片尖部產生過大的渦流，因此風扇的葉片長度變動范圍較小，取75 mm、76 mm以及76.5mm。由于當葉片數過多時會導致摩擦損失增大，降低效率，因此葉片數取5片、6片以及7片。原始葉片的安裝角為35°，試驗中變換安裝角，取33°、35°以及37°。

綜上所述，選取葉片長度、數目以及安裝角作為試驗因子，每個試驗因子各取3個水平。不考慮因子間的交互作用，共形成9種試驗模型（見表1），查詢正交表格選擇L9（33）（正交表，共9列（三水平三因素））進行正交試驗。

表1 正交試驗表

3.2 正交試驗結果分析

根據給定的模型進行仿真試驗，結果見表2。K1、K2以及K3分別代表在各個因素、各個水平下的流量的總和，單位為m3/s；ki（i=1，2，3）表示任一列上因素取水平i時所得流量的算術平均值,單位為m3/s。極差Rm為各個因素的不同水平對冷卻風扇流量的影響，極差值越大表示該因素的變動對評價指標的影響越大。

由表2可知，葉片數量、安裝角和葉片長度3個因素及3個因素所對應的水平值對流量均有不同程度的影響。通過極差分析3個因素的顯著性和各因素的最優水平值可得，對試驗結果影響最大的是葉片數目，其次是葉片長度，影響最小的是安裝角。由分析結果可知，第三個模型的流量為0.434 m3/s，比原始設計模型的流量增加了14.2%。最優葉片的參數為安裝角33°，葉片長度76.5 mm，葉片數7片。

表2 正交試驗結果極差分析

為了更直觀地看出因素與指標的關系，以因素水平為橫坐標，流量平均值ki（i=1，2，3）為縱坐標，得出流量隨葉型參數的變化規律。風扇安裝角與流量的關系如圖10（a）所示，隨著安裝角的增加，風扇的流量先減少增加，在安裝角為35°時取得最小值。風扇葉片長度與流量的關系如圖10（b）所示，當葉片長度由75.0 mm增至76.5 mm時，葉片的流量由0.334 8 m3/s逐漸增至0.385 6 m3/s。其原因是隨著葉片長度的增加，葉片與流體區域的接觸面積變大，高速旋轉時與流體的相互作用面積變大，從而使流量增大。流量隨風扇葉片數的變化關系如圖10（c）所示，隨著葉片數由5片增至7片，風扇的流量呈持續增加的趨勢，當葉片數目為7片時，流量達到最大值；當葉片數目為5片時，流量達到最小值，二者流量相差0.140 9 m3/s。其原因是隨著葉片數目的增加，葉片與流體之間的接觸面積呈倍數增加，因此風扇的流量呈正比例增長的趨勢。

圖10 流量與安裝角、葉片長度和葉片數的關系

3.3 不同背壓下優化前后對比

通過試驗得到當背壓為350 Pa時的流量最優結構參數，以此為基礎，改變背壓，得到不同背壓下優化后的風扇的流量值，并將結果與原始結構的結果進行對比。結果如圖11（a）所示，背壓從0 Pa增至500 Pa，優化后的流量變化趨勢與優化前的流量變化趨勢基本一致，隨著背壓的增大而減少；且在各背壓下，優化后的流量均優于優化前的流量。在實際應用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%。

圖11 原始風扇與優化風扇流量對比圖

4 結語

該文基于Fluent對風扇葉片流場進行仿真分析，并采用正交試驗法，以提高葉片流量為優化目標，以葉片安裝角、長度以及數目為優化參數對葉片進行優化設計。結論如下：1） 葉片表面靜壓值最高在葉片前緣，隨著出口背壓的不斷增大，流量逐漸降低。2） 優化后的冷卻風扇在不同背壓下的出口流量均有所提高，在實際應用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%，有效地提高了風扇的工作性能。3） 風洞試驗結果驗證了數值仿真模型和方法的可靠性，對風扇的優化設計具有指導意義。