汽車冷卻風扇葉片仿生設計與降噪分析

董月千尋，郭 浩，王書文

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

車輛行駛過程中產生的噪聲和振動會對車內人員造成影響，當達到一定的程度后，還會對環境造成噪聲污染。在我國一些生活水平較高的城市中，噪聲污染的投訴占到了污染投訴中的60%～70%，是亟待改善的社會問題[1]。近年來，研究人員將仿生與葉片設計技術相結合，結合生物的部分或整體結構或組織，設計新產品外形，對風扇葉片進行改進，以達到使其具有與仿生生物體類似的低噪聲特性[2]來提高乘車的舒適性，提高汽車在市場上的競爭力。冷卻風扇的傳統研究主要集中在改變風扇輪轂比、葉型、葉片安裝角及葉片數目等方面[3－6]。李娜等[7]在軸流風扇葉片吸力面上設置了楔形結構，發現楔形結構的存在能起到渦流發生器的作用，降低渦流引起的噪聲，同時還可提高風量。在仿生降噪領域，多位研究人員對長耳鸮[8－10]翅膀的形態結構進行研究，發現其結構的降噪效果較好，并將其運用到軸流風扇當中。章甘[11]分析了魚鰭剛柔相間的特性，參照該特性設計風機葉片上的結構，以剛性肋條和柔性貼條間隔的形式，設計了一組正交方案。將CFD仿真獲得的結果與實驗結果進行對比，發現肋條結構能夠改善葉片表面壓力狀況，抑制渦流形成，從而起到降低噪聲的作用。仿生設計已得到廣泛的研究與應用，現有研究實驗中大多將新設計的葉片制造出來進行實驗，部分新設計的葉片的安裝還需要對風扇框架進行更改，制造難度與成本較高。本文中將3D 打印的仿生葉片模型安裝在原有的風扇的葉片上，降低了制造難度與成本。通過仿真與實驗驗證了此方法的可行性，為冷卻風扇葉片降噪提供了一條有效的技術途徑。

1 冷卻風扇葉片的仿生設計

風扇葉片的形狀為一個有一定厚度的曲面，呈扁平狀，葉片前緣、后緣、與風扇輪轂相連接的前端和葉片尾端均為圓弧形，風扇轉動時，風沿葉片的壓力面和吸力面流過。根據葉片的形狀以及轉動時的流場特征，將仿生對象的選擇范圍集中在飛禽類的翅膀上。貓頭鷹雖翅膀寬大，但全身的羽毛柔軟而呈波狀，表面密布著絨毛，可以減弱和空氣的摩擦，有消聲的作用，如圖1所示。翅膀上的羽毛邊緣還呈鋸齒狀分布，這也起到了消聲的作用。

圖1 貓頭鷹翅膀結構

在本研究中將貓頭鷹翅膀作為仿生對象，模仿其結構對風扇葉片進行相似的改進設計，以達到降噪目的。在本設計中將貓頭鷹翅膀上的“梳子”結構和翅膀表面由于附著羽毛而形成的突起結構相結合，作為風扇葉片的設計方案。設計時，將貓頭鷹翅膀前緣參差不齊的“梳子”結構簡化成尺寸相同、距離相等的鋸齒結構，添加到風扇葉片后緣上。將其翅膀上覆蓋的羽毛所形成突起結構簡化成尺寸相同、間距相等的半圓形條紋，添加到葉片的正壓力面上。

確定條紋和齒槽位置時，將風扇輪轂圓心作為設計圓心，設定合適的半徑，圓弧在葉片上的位置即為條紋和齒槽位置，圓弧半徑間的差值即為條紋間和齒槽間的間距。齒槽圓弧與葉片后緣的交點即為半圓形齒槽的圓心。將葉片上的條紋半徑、齒槽半徑、條紋距離以及齒槽間距離設置為4種變量，通過改變這4 種變量的尺寸來確定幾組不同的葉片方案，4種變量的示意圖如圖2所示。設計得出9種正交實驗方案，如表1所示。按照實驗方案進行3D打印的9 種實驗葉片如圖3所示。將葉片安裝在風扇上進行實驗，葉片的安裝如圖4所示。

圖2 葉片參數示意圖

圖3 9種葉片模型

圖4 葉片安裝示意圖

表1 正交實驗方案

2 仿真分析

2.1 參數設定

將整個仿真模型分為4個區域，即旋轉流體區、通道區、入口區和出口區。如圖5所示。在本次流體仿真中使用ICEM CFD軟件進行風扇葉片網格的劃分。整個區域的最大網格尺寸確定為5 mm，將葉片上的最大網格尺寸確定為1.2 mm，整個區域均使用非結構化網格。使用compute mesh 功能創建網格，整個區域一共約創建了159 萬個網格單元。整個模型的邊界條件主要分為進口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。操作條件壓力為默認的大氣壓力，設置進口為壓力入口，給定總壓為大氣壓力，出口為壓力出口，相對大氣壓力為0。

圖5 冷卻風扇流域劃分

將劃分好網格后的葉片導入FLUENT 軟件后，將各單位均設置為毫米。湍流模型使用k-epsilon模型。流體材料為空氣，密度為1.2 kg/m3。計算時使用SIMPLE算法，動能、湍流動能以及湍流耗散率的計算均引入2階迎風格式。將殘差監視器中各項的殘差均設置為0.000 1。監視出入口流量及出口區距離風扇1 m 處的壓力脈動。當殘差收斂至0.001，停止迭代。將FLUENT 的計算結果導入CFD-Post 后處理軟件，對9 種風扇葉片的噪聲性能與原型葉片的噪聲性能進行對比分析。

2.2 葉片表面噪聲特性分析

原型葉片表面的噪聲聲能分布如圖6(a)所示，9種仿生設計的葉片表面的噪聲聲能分布如圖6(b)所示，其表面最大噪聲聲能分布數據如表2所示。

表2 葉片表面最大噪聲聲能仿真值

圖6 原型葉片與仿生設計表面的噪聲聲能分布

從圖6可以看出，風扇葉片表面的噪聲聲能分布可大致分為3個區域。靠近風扇軸的風扇前端為噪聲最小處，此區域約占整個葉片的三分之二。靠近葉片后緣和葉尖的區域噪聲較大，葉片前緣曲率最大的內側噪聲最大，這兩個區域約占整個葉片的三分之一。添加了仿生結構的9種葉片表面的噪聲分布與原型葉片大致相同。

從噪聲分布圖6中可以比較得出，除方案3、4和6外，其余方案的葉片的噪聲值均比原型葉片的值要小。其中降噪效果最明顯的是方案2，其次是方案1。噪聲值最大的是方案3，其次是方案4，最后是方案6。

從這9 種方案的噪聲分析結果可以判斷，在設計中設置的4種因素均對噪聲分析的結果產生了影響。條紋間距和齒槽間距過大，會導致在葉片上添加的結構過少，因此降噪效果不明顯。在4 種因素中，對噪聲影響最大的應是條紋半徑，條紋半徑應盡量小，半徑為1 mm的條紋的降噪效果最好。其次是齒槽半徑，齒槽半徑設置為2.5 mm比較合適。

3 實驗分析

3.1 實驗設備

對采用仿生設計的扇片進行3D打印，選擇白色的未來8000 樹脂作為葉片的打印材料。汽車冷卻風扇葉片的噪聲實驗中采用北京東方振動和噪聲技術研究所生產的INV9206 型號聲壓傳感器（麥克風），并使用DASP智能數據采集儀來獲取并處理聲壓傳感器測試的噪聲信號。圖7為冷卻風扇噪聲測試示意圖。

圖7 冷卻風扇噪聲測試示意圖

3.2 實驗結果分析

在汽車冷卻風扇葉片噪聲實驗中，測量了風扇在1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min、1 600 r/min、1 800 r/min和2 000 r/min 6組轉速下風扇葉片的噪聲值和降噪率，如圖8所示。在1 000 r/min工況下，方案2的降噪效果相對較好，降噪率達到了3.59%；在1 200 r/min工況下，方案1的降噪效果較好，降噪率達到了3.75%；在1 400 r/min工況下，方案8的降噪效果較好，降噪率達到了4.83%；在1 600 r/min工況下方案2 的降噪率為3.13 %，效果較好；在1 800 r/min工況下，降噪效果較好的是方案2，降噪率達到了3.13%。在2 000 r/min 工況下，方案2 的降噪效果較好，降噪率達到了4.75%。

圖8 6組轉速下風扇葉片的噪聲值與降噪率

將條紋半徑設置為因素A，條紋間距離設置為因素B，齒槽半徑設置為因素C，齒槽間距離設置為因素D。分析這4 個因素以及分別對應的3 個水平對冷卻風扇噪聲影響的主次關系，對6 個轉速下的各個正交方案的噪聲進行極差分析。

從正交實驗極差分析結果可得，如表3所示，在6 種不同轉速下，各因素對風扇噪聲的影響大小不相同。在1 000 r/min、1 600 r/min和2 000 r/min轉速下，對風扇噪聲影響最大的因素為A，即條紋半徑，在這幾種轉速下的最優組合為A1B2D2C1、A1C2D1B2和A3D1B2C1。在1 400 r/min 和1 800 r/min 轉速下，對風扇噪聲影響最大的因素為B，即條紋圓心所在圓弧間距離，在這兩種轉速下的最優組合為B2A3D1C2和B2D1A3C3。在1 200 r/min 轉速下，對風扇噪聲影響最大的因素為C，即齒槽半徑，該轉速下的最優組合為C2A1B1D1。

表3 正交實驗極差分析結果

在因素A 中，轉速為1 000 r/min、1 200 r/min 和1 600 r/min 工況下降噪表現較好的是第一水平1mm；轉速為1 400 r/min、1 800 r/min 和2 000 r/min工況下表現較好的是第三水平2 mm。因此低轉速下條紋半徑選用1 mm，高轉速下條紋半徑選用2 mm 較好。在因素B 中，除1 200 r/min 轉速外，降噪效果較好的是第二水平20 mm。在因素C 中，轉速為1200 r/min、1400 r/min和1 600 r/min時，降噪效果較好的是第二水平2.5 mm，1 000 r/min 和2 000 r/min 轉速下降噪效果較優的是第一水平2 mm，1 800 r/min 轉速下降噪效果較佳的是第三水平3 mm。在因素D 中，除1 000 r/min 轉速外，降噪效果較好的是第一水平10 mm。

4 結語

以汽車冷卻風扇葉片作為研究對象，對葉片進行仿生設計，使葉片達到降低風扇噪聲的要求。使用仿真和實驗兩種方法，分析仿生結構對葉片降噪效果的影響，得出以下幾點結論：

(1)大部分采用仿生設計的葉片都具有降噪的作用，其中降噪效果最明顯的是方案2。

(2)通過仿真發現對降噪效果影響最大的因素是葉片表面上添加的條紋半徑，其次是在葉片后緣添加的齒槽半徑，條紋間距和齒槽間距也對降噪有一定影響。

(3)通過葉片噪聲實驗和極差分析得出如下結論：在葉片上添加的仿生結構中，在1 000 r/min、1 600 r/min和2 000 r/min轉速下對噪聲影響最大的是條紋半徑（因素A）；在1 400 r/min 和1 800 r/min轉速下，對風扇噪聲影響最大的為因素B(條紋間距離)；在1200 r/min 轉速下，對風扇噪聲影響最大的為因素C(齒槽間距離)。因素A中，低轉速下選擇1 mm 效果較好，高轉速下選擇2 mm 較好，因素B 選擇20 mm 較好，因素C 選擇2.5 mm 較好，因素D 選擇10 mm較好。